Παραγωγή βιοαερίου-βιομεθανίου από αναερόβια χώνευση αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων

Παραγωγή βιοαερίου-βιομεθανίου από αναερόβια χώνευση αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων και η συμβολή τους στη Βιώσιμη Ανάπτυξη

Από τα πανάρχαια χρόνια, η διαχείριση της ζωικής κοπριάς αποτελούσε ένα δυσεπίλυτο πρόβλημα, όπως μαρτυρείται από την περιγραφή του πέμπτου άθλου του Ηρακλέους, όπου ο ήρωας ανέλαβε τον καθαρισμό των στάβλων του βασιλιά της Ήλιδος, Αυγεία. Σταύλοι με 3.000 βόδια, οι οποίοι μάλιστα δεν είχαν καθαρισθεί για κάπου 30 χρόνια. Είναι πασίγνωστη η μέθοδος που χρησιμοποίησε ο Ηρακλής, καθώς, εκτρέποντας τη ροή των δυο ποταμών (Πηνειού και Αλφειού) και εκμεταλλευόμενος την ορμητικότητα των υδάτων, ξέπλυνε τους στάβλους. Ακόμη και σήμερα, οι στάβλοι καθαρίζονται βασιζόμενοι στην ίδια παραπάνω αρχή, μόνο που αντί βεβαίως της εκτροπής ποταμών, χρησιμοποιούνται πλυστικές συσκευές υψηλής πίεσης. Θα ήταν όμως φυσικά αδιανόητο για την τωρινή εποχή, τα μικτά (υγρά και στερεά) απόβλητα που προκύπτουν από τις παραπάνω πλύσεις, να διασπαρούν, χωρίς καμμία άλλη επεξεργασία, στο γειτνιάζον περιβάλλον (ρυπαίνοντας έδαφος και υδάτινα οικοσυστήματα), επιλύοντας το πρόβλημα μόνο εν μέρει και όχι ολιστικά.

Για τη διαχείριση των αγροτο-κτηνοτροφικών, αλλά και πολλών βιομηχανικών αποβλήτων εφαρμόζεται σήμερα ευρέως η μέθοδος της αναερόβιας χώνευσης. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει πολυποίκιλα οφέλη καθώς, αφενός οδηγεί στην δραστική μείωση του όγκου των παραπάνω αποβλήτων, αφετέρου δε προστατεύει το περιβάλλον (ατμόσφαιρα, επιφανειακά και υπόγεια ύδατα), αποτρέποντας τη διαφυγή μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του αζώτου, υδρόθειου, αμμωνίας και άλλων ρυπαντών (υγρών και αερίων) από τα αποθηκευμένα σε σωρούς ζωικά απορρίμματα. Το τελικό δε στερεό υπόλειμμα της διεργασίας, αποτελεί ένα πολύ χρήσιμο εδαφο-βελτιωτικό ή/και οργανικό λίπασμα, ενώ το κυριότερο προϊόν της παραπάνω διεργασίας, το βιοαέριο, υποκαθιστά εν μέρει τα ορυκτά καύσιμα για την παραγωγή ενέργειας, καθώς ένα κυβικό μέτρο βιοαερίου υπό «κανονικές συνθήκες» (20oC, 1 atm), ισοδυναμεί με μισό κιλό πετρελαίου, παράγοντας γύρω στις 2 kWh καθαρή ηλεκτρική ενέργεια. Το βιοαέριο όμως δεν βελτιώνει μόνο το ενεργειακό ισοζύγιο μιας χώρας, αλλά συμβάλλει επίσης σημαντικά στη διατήρηση των φυσικών πόρων, ενώ δημιουργεί νέες θέσεις εργασίας, ενισχύοντας έτσι τις τοπικές κοινωνίες στο πλαίσιο της Βιώσιμης Ανάπτυξης. Σε διάφορες ευρωπαϊκές χώρες, όπως η Γερμανία, Ιταλία, Ολλανδία, κ.α., η παραγωγή βιοαερίου από την αναερόβια χώνευση αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων έχει ήδη εκτοξευτεί σε υψηλά επίπεδα, ενώ στην Ελλάδα, η αντίστοιχη παραγωγή βρίσκεται ακόμη σχεδόν σε νηπιακό στάδιο. Το πεδίο λοιπόν της εγχώριας παραγωγής ενέργειας από βιοαέριο είναι ανοιχτό και με πάμπολλες ευκαιρίες για την αξιοποίησή του, αρκεί να βρει την πρέπουσα αρωγή της Πολιτείας.

Στη χημική του σύσταση, το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (55-70%) και διοξείδιο του άνθρακα (30-45%), ενώ περιέχει επίσης ελάχιστες ποσότητες άλλων αερίων, όπως υδρόθειο, άζωτο, υδρογόνο, αμμωνία, καθώς επίσης και υγρασία. Αφού απομακρυνθεί το υδρόθειο, η αμμωνία και το μεγαλύτερο μέρος της υγρασίας, μπορεί κατόπιν το αναβαθμισμένο βιοαέριο να τροφοδοτήσει μηχανές εσωτερικής καύσεως, καυστήρες αερίου ή αεριοστρόβιλους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Μάλιστα, εάν αναβαθμιστεί ακόμη περαιτέρω, απομακρύνοντας δραστικά το διοξείδιο του άνθρακα, το αέριο που προκύπτει, περιεκτικότητας σε μεθάνιο άνω του 95% (βιομεθάνιο), δύναται να διοχετευτεί στο δίκτυο του Φυσικού Αερίου ή να να συμπιεστεί στα 200-250 bar και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε οχήματα, τα οποία είναι κατασκευασμένα για την καύση συμπιεσμένου φυσικού αερίου (Compressed Natural Gas, CNG). Βενζινοκίνητα οχήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν το βιομεθάνιο, μετά από μια σχετικά χαμηλού κόστους μετατροπή του κινητήρα τους, ενώ το ίδιο μπορεί να γίνει και στα ντιζελοκίνητα οχήματα, με αρκετά μεγαλύτερο όμως κόστος για την ίδια μετατροπή του κινητήρα.

Για να κατανοηθεί η χρησιμότητα του βιομεθανίου ως καύσιμο στα οχήματα, αρκεί να ανατρέξει κάποιος σε δημοσιευμένα αποτελέσματα και τις αντίστοιχες αποδόσεις που έχει μέχρι σήμερα το φυσικό αέριο (συμπιεσμένο στα 200-250 bar, CNG), το οποίο παραμένει αρκετά φθηνότερο της βενζίνης. Για παράδειγμα, η “Mercedes-Benz” προσφέρει το “B-Class Natural Gas” σε έκδοση φυσικού αερίου, το οποίο, σύμφωνα με το εργοστάσιο, καταναλώνει 4.2 kg φυσικού αερίου ανά 100 Km. Αυτό σημαίνει ότι, με τη σημερινή τιμή φυσικού αερίου (γύρω στα 1.2 €/kg), ο οδηγός του συγκεκριμένου μοντέλου θα χρειάζεται 5.04 €/100 Km. Συγκριτικά, στην περίπτωση της έκδοσης βενζίνης (με τον ίδιο κινητήρα 2 L, 156 hp), η κατανάλωση καυσίμου είναι στα 5.4 L/100 Km, δηλαδή, το κόστος ανά 100 Km διπλασιάζεται, φτάνοντας τα 10.26 €/L (θεωρώντας μια μέση τιμή βενζίνης ίση με 1.9 €/L).

Μοντέλα φυσικού αερίου διαθέτει επίσης η “Volkswagen”, όπως το δημοφιλέστερο από απόψεως πωλήσεων “VW eco up”, με κινητήρα 999 cm3, 68 hp, το οποίο για να κινηθεί χρειάζεται 2.9 kg φυσικού αερίου ανά 100 Km, με το κόστος να ορίζεται στα 3.48 €/100 Km. Επίσης, το “Audi A3 g-tron 1.4 TFSI”, 110 hp, καταναλώνει 3.3 kg/100 Km, που αντιστοιχούν σε λιγότερα από 4 €/100 Km. Μοντέλο φυσικού αερίου διαθέτει και η “Skoda”, την “Octavia 1.4 G-TEC”, με τον επίσης δημοφιλή κινητήρα 1.4 TSI, 110 hp, που καταναλώνει περίπου 4-4.5 €/100 Km. Τέλος, το “Fiat Panda 0.9 TwinAir CNG”, 80hp, καταναλώνει 3.1 kg/100 Km (3.72 €/100 Km), όπως προκύπτει από εργοστασιακές μετρήσεις κατανάλωσης.

Για να γίνει ακόμη περισσότερο κατανοητή η θετική συμβολή του βιομεθανίου στην οικονομία της χώρας, με τη χρήση του ως καύσιμο σε οχήματα, λαμβάνοντας υπόψιν τις παραπάνω αποδόσεις κατανάλωσης των οχημάτων φυσικού αερίου (2.9-3.3 kg/100 Km) και υποθέτοντας ότι το κάθε όχημα θα διανύει έως και 30.000 Km/έτος (αρκετά υψηλή κυκλοφορία), μια μονάδα παραγωγής βιοαερίου ισχύος 0.5 MW, υπό απρόσκοπτη λειτουργία και με συντηρητικούς υπολογισμούς, θα δύναται να διατηρεί κάθε χρόνο έναν στόλο, άνω των χιλίων (1,000), ενεργειακά αυτόνομων οχημάτων.

Ιδιαίτερα υψηλή συμβολή στην ανάπτυξη της εφηρμοσμένης έρευνας, στον τομέα της αναερόβιας βιολογικής επεξεργασίας αποβλήτων, έχει να επιδείξει επί τουλάχιστον 25 συναπτά έτη, το «Εργαστήριο Διαχείρισης και Τεχνολογίας Υγρών Αποβλήτων», του τμήματος Μηχανικών Περιβάλλοντος, του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης, υπό την εξαίρετη καθοδήγηση του Ομότιμου σήμερα και διεθνώς κορυφαίου στο γνωστικό του αντικείμενο, Καθηγητή κ. Αλέξανδρου Αϊβαζίδη. Τα τελευταία μάλιστα χρόνια, σε συνεργασία με ελληνική ιδιωτική εταιρεία, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε, σε πιλοτική κλίμακα των 50 kW, πρότυπη μονάδα παραγωγής βιοαερίου, βασιζόμενη στην αναερόβια χώνευση μιγμάτων αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων. Η εγκατάσταση αυτή έγινε σε χώρο κτηνοτροφικής μονάδας (γαλακτοπαραγωγών αγελάδων), στην Μάνδρα του νομού Ξάνθης, η οποία λειτουργεί επιτυχώς εδώ και περίπου τρία έτη, ενώ αποτέλεσε τον «οδηγό» για τον σχεδιασμό και την κατασκευή αντίστοιχης βιομηχανικής μονάδας (ισχύος 0.5 MW) στη Βιομηχανική Περιοχή (ΒΙ.ΠΕ.) Ξάνθης, εξολοκλήρου από ελληνικά χέρια.

Επιστημονικά όργανα και συσκευές στο Εργαστήριο Διαχείρισης & Τεχνολογίας Υγρών Αποβλήτων, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος (Δ.Π.Θ.)

Άποψη της πιλοτικής μονάδας αναερόβιας χώνευσης αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων στον χώρο της κτηνοτροφικής μονάδας (Μάνδρα, Ξάνθη)

Το βιομεθάνιο λοιπόν, πέραν των συγκριτικά παρόμοιων επιδόσεων με το φυσικό αέριο, παρουσιάζει περαιτέρω, το μεγάλο πλεονέκτημα να αποτελεί και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Σε αντίθεση με το ορυκτό φυσικό αέριο, το οποίο βρίσκεται στη φύση σε πεπερασμένη ποσότητα και το οποίο δεν εξορύσσεται χωρίς τον κίνδυνο περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, το βιομεθάνιο μπορεί να παράγεται αενάως, χωρίς ποτέ να εξαντλείται, και χωρίς την παραμικρή επιβάρυνση στο φυσικό περιβάλλον.

Το βιομεθάνιο αποτελεί επίσης μια πραγματική πηγή ανανεώσιμης ενέργειας σε αντίθεση με τα τεράστια και καταστροφικά αιολικά και ηλιακά πάρκα. Να τονιστεί εδώ ότι, μιλώντας σε επίπεδο κλίμακας-μεγέθους, ουδεμία σχέση μπορεί να έχει ο γραφικός ανεμόμυλος της Μυκόνου, ο οποίος ταιριάζει απόλυτα στο Κυκλαδίτικο τοπίο, με ένα μεγάλο αιολικό πάρκο και τη βλάβη που επιφέρει, τόσο στην αισθητική του φυσικού τοπίου, όσο και στα φυσικά οικοσυστήματα. Ουδεμία επίσης σχέση στην επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος έχουν τα μικρής ισχύος οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα με τα μεγάλα ηλιακά πάρκα, τα οποία απαιτούν τεράστιες εκτάσεις χρήσιμης και καλλιεργήσιμης πολλές φορές γης. Εντωμεταξύ, σε αντίθεση με τις μονάδες παραγωγής βιοαερίου, τόσο η απόδοση των αιολικών, όσο και των ηλιακών πάρκων, εξαρτάται πάντοτε από τις καιρικές συνθήκες (άνεμος, ήλιος), ενώ για να φτάσουν στην απόδοση ισχύος μια μονάδας βιοαερίου, πρέπει να καταλάβουν, καταστρέφοντας ταυτόχρονα, εκατοντάδες φορές πολλαπλάσιες εκτάσεις γης. Δυστυχώς, τα σημερινά μεγάλα πολιτικά-οικονομικά συμφέροντα όχι μόνο κωφεύουν, αλλά, στον βωμό του κέρδους, δεν διστάζουν να θυσιάσουν τοπία απαράμιλλου φυσικού κάλλους, βαφτίζοντας μάλιστα, με περίσσεια θράσους, το σκοτεινό τους έργο ως δήθεν «πράσινη ανάπτυξη»…

Κλείνοντας το μικρό αυτό άρθρο, θα ήθελα οπωσδήποτε να αναφέρω την τεράστια δυναμική που μπορεί να φέρει στην οικονομία και την ανάπτυξη της χώρας, με όλες φυσικά τις θετικές συνέπειες για τον ελληνικό λαό, η συνεργασία των επιστημόνων και μηχανικών της πραγματικής βιώσιμης ανάπτυξης με την Ομάδα του κ. Πέτρου Ζωγράφου. Το φωτεινό μυαλό του μεγάλου αυτού Έλληνα επιστήμονα, όχι μόνο έχει αποδεδειγμένα προσφέρει στην αναβάθμιση της παραγωγής βιομεθανίου από βιοαέριο με καινοτόμο μέθοδο, μειώνοντας δραστικά το λειτουργικό κόστος (σειρά επιτυχημένων εργαστηριακών πειραμάτων έχει ήδη πραγματοποιηθεί), αλλά έχει επίσης προσφέρει και σε μια άλλη φυσικο-χημική διεργασία με τεράστιες προοπτικές για τη χώρα και ολόκληρη την Ανθρωπότητα. Αυτή της παραγωγής «συνθετικού φυσικού αερίου», καθαρού δηλαδή μεθανίου από την αντίδραση του υδρογόνου με διοξείδιο του άνθρακα, μια διεργασία με την οποία θα ασχοληθούμε σε επόμενο άρθρο.

Αναζητείται λοιπόν και πάλι ένας «Ηρακλής», ο οποίος με το νέο του άθλο θα καθαρίσει τους σύγχρονους «στάβλους του Αυγεία» στον χώρο της Πολιτικής, της Δημοσιογραφίας και της Δικαιοσύνης, έτσι ώστε απρόσκοπτα και χωρίς εμπόδια η χώρα μας να πρωτοστατήσει στην Επιστήμη και να γίνει και πάλι ο Διδάσκαλος της Οικουμένης.

Δημήτριος Γεωργίου
Χημικός Μηχανικός- Δρ. Μηχανικός Περιβάλλοντος
Μέλος της Ερευνητικής Ομάδας Πέτρου Ζωγράφου

ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

– IRENA, “Biogas for road vehicles: Technology brief: Technology Brief”, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2018.
– NRC, “Fuelling Farm Vehicles with Compressed Biogas”, Natural Resources Canada, 2018. (https://www.nrcan.gc.ca/energy/transportation/alternative-fuels/resources/ 20635).
– C. Zafiris, “Biogas in Greece: Actual Situation and Perspectives”, Centre for Renewable Energy Sources and Saving (Κ.Α.Π.Ε.), Thessaloniki, 2015. (http://www.renewablesb2b.com/data/shared/02_CRES_Zafiris_presentation.pdf)
– F. Zuccari, A. Santiangeli, A. Dell’Era, A. D’orazio, C. Fiori, F. Orecchini, “Use of Bio-methane for Auto Motive Application: Primary Energy Balance and Well to Wheel Analysis”, Energy Procedia, 81, 255-271, 2015.
– https://www.autotriti.gr/autoaccessories/news/data/lpg-cng/CNG-Poso-trexei-to-fysiko-aerio_142510.asp

– http://www.autogreeknews.gr/autokinita-fusikou-aeriou-aeriokinisi/6940-ygraerio-kinisis-lpg-i-fysiko-aerio-cng-ti-einai-kai-pou-diaferoun

– D. Georgiou, V. Liliopoulos, A. Aivasidis “Upgrading of biogas by utilizing aqueous ammonia and the alkaline effluent from air-stripping of anaerobically digested animal manure. Application on the design of a semi-industrial plant unit”, Journal of Water Process Engineering, 36, 1-10, 2020.