Uloga biomase i biogoriva u energetskoj tranziciji – interdisciplinarni i cjeloviti pristup održivoj anaerobnoj razgradnji

This doctoral dissertation evaluated the use of sustainable biomass sources (agri-food waste and residues, and industry streams) in anaerobic digestion with the goal of replacing maize silage in a large-scale biogas production and investigated alternative pathways of biogas utilisation incorporated in energy systems operating with high share of renewable energy sources. The methods applied in the research included elements of chemical and mechanical engineering in order to create a holistic approach that could be applicable to various biogas plant cases. Experimental investigations showed the biogas yield of residue lignocellulosic biomass of 0.192-0.275 Nm3/kgTS, and bulk food waste of 0.252-0.566 Nm3/kgTS. Meat and bone meal and wastewater sludge were shown to be co-substrates with antagonistic effect in biogas production, however they increased the reaction rate of overall degradation. Pyrolysis of digestate showed lower energy requirements and higher biochar yield (38%) compared to direct pyrolysis of lignocellulosic biomass (24%). The gate fee business model for receiving biodegradable waste and the implementation of new technologies, namely biogas upgrading, are the most likely options for biogas plants in the future. A robust mathematical model of power-to-gas integration showed that the installation of 18 MWel of wind and 9 MWel of photovoltaics with an additional import of 16 GWhel from the grid could produce 36 GWh of renewable methane which could be economically competitive with natural gas if the feedstock gate fee in the proposed system was -120 €/t. Geospatial availability of an energy potential of biogas production from examined feedstocks, combined with Life Cycle Assessment of the alternative biogas utilisation pathways created the synergistic effects in terms of reduced environmental burdens by 4-36 times compared to the current operation. Based on the applied methods and outcomes of the doctoral thesis, the research hypothesis “Applying holistic approach on biogas plants, both on the production and utilisation side, can increase economic profitability and environmental benefits over current subsidised operation” was tested and confirmed. The economic feasibility of biogas plants after exiting subsidy schemes will include the implementation of the gate fee business model for substrates, new investments in biomass pretreatment lines, increase of on-site biogas storage capacity and additional investments in renewable methane production system, primarily biomethane. Environmental burdens of such actions will be reduced through a contribution of biowaste management on urban and rural level, combined with the utilization of biogas for production of biomethane as a replacement to natural gas.Biomasa je obnovljiv izvor energije (OIE) te ima važnu ulogu u diverzifikaciji opskrbe energijom u Europskoj Uniji (EU) [1]. Ona doprinosi ravnoteži ugljikovog dioksida (CO2), stvaranju radnih mjesta, smanjenju emisija stakleničkih plinova (eng. Greenhouse gas, GHG) te osiguravanju dostupnosti resursa i njihovom ekonomičnom gospodarenju [2]. U Republici Hrvatskoj biomasa je definirana prema Zakonu o obnovljivim izvorima energije i visokoučinkovitoj kogeneraciji kao “biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka biološkog podrijetla iz poljoprivrede (uključujući tvari biljnoga i životinjskoga podrijetla), šumarstva i srodnih proizvodnih djelatnosti, uključujući ribarstvo i akvakulturu, kao i biorazgradivi dio industrijskoga i komunalnog otpada” [3]. Biomasa se može direktno koristiti kao gorivo za dobivanje energije (npr. drvna biomasa u kotlovima), ili se može biokemijskim, kemijskim, ili termokemijskim postupcima pretvoriti u materijal dodane vrijednosti – biogorivo, čime se postiže njezina šira primjenjivost u energetske svrhe [4]. Biogoriva prve generacije dobivena iz prehrambenih usjeva kao uzgojene biomase [5] naišla su na neodobravanje znanstvene zajednice i šire javnosti, primarno zbog korištenja obradivih površina za njihov uzgoj. Napredna biogoriva (druge i treće generacije [5]) proizvedena su iz biomase koja nije kompetitivna s proizvodnjom hrane, a u nju spada otpadna biomasa iz kućanstva i industrije, poljoprivredni ostatci, neprehrambeni usjevi te alge. Ova doktorska disertacija stavlja fokus na korištenje biomase u procesu anaerobne razgradnje za dobivanje bioplina. Cilj istraživanja je ostvariti sinergijski učinak između ekonomičnog korištenja otpadne biomase i proizvodnje energije u sustavima s velikim udjelom OIE kako bi se postiglo smanjenje utjecaja na okoliš u usporedbi s trenutnom praksom u bioplinskim postrojenjima koja uključuje korištenje kukuruzne silaže i proizvodnju električne energije uz zajamčenu otkupnu cijenu. Mjesto nastanka, tip biomase, te njezine količine bitan su faktor za strateško pozicioniranje novih bioplinskih postrojenja, te za planiranje novih lanaca opskrbe sirovinama u postojećim postrojenjima. Geografski informacijski sustav (eng. Geographic Information System, GIS) [6] prepoznat je kao vrijedan alat za mapiranje potencijala izvora biomase, kao i određivanje transportnih udaljenosti od mjesta nastanka biomase do postrojenja. GIS analiza na razini EU pokazala je ukupni energetski potencijal za proizvodnju bioplina iz poljoprivrednih ostataka i životinjske gnojovke na godišnjoj razini jednak 0.7 EJ (oko 195 TWh) [7], što je dvostruko više nego proizvodnja bioplina iz tih supstrata ostvarena u 2016 godini u EU. Primjenom GIS alata na lokalnoj razini u Grčkoj, Sjedinjenim Američkim Državama i Finskoj pokazano je da ekonomski prihvatljive transportne udaljenosti za supstrate mogu varirati između 10 i 40 km [8–10]. Povećanjem radijusa raspoloživosti biomase povećava se i kapacitet postrojenja čime je moguće ostvariti veću proizvodnju obnovljive energije, no istovremeno stvara se dodatan teret na okoliš, kako je još uvijek većina biomase transportirana teretnim vozilima na fosilna goriva [10]. Ono što također treba uzeti u obzir prilikom procjene korištenja biomase u bioplinskom postrojenju je njezina tržišna vrijednost, odnosno plaća li bioplinsko postrojenje za biomasu, ili dobiva naknadu za njezino gospodarenje (eng. Gate fee, GF). U postojećim okvirima proizvodnje bioplina, cijena kukuruzne silaže je između 15 i 40 € po toni sirovine [11], dok alternativni izvori biomase (npr. miješani komunalni biootpad i otpadna hrana) postižu GF u iznosu od -60 do 0 €/tona [11]. Nakon što biomasa uđe u prostor bioplinskog postrojenja, potrebno ju je adekvatno pripremiti za proces anaerobne razgradnje. U tu svrhu mogu se koristiti metode predobrade koje se služe termičkim, mehaničkim, kemijskim ili biološkim postupcima (ili nekim njihovim kombinacijama) [12]. Metode predobrade služe kako bi potaknule proces razgradnje kompleksnih polimernih molekula prisutnih u organskoj tvari, čime se postiže viša konverzija biomase u bioplin [13]. Uspješnost razgradnje biomase te proizvodnje bioplina, kao i stabilnost u procesu određuju se eksperimentalnim mjerenjima, pri čemu se prate procesne varijable kao što su sadržaj suhe tvari (eng. Dry Matter, DM, ili Total Solids, TS), proizvodnja i sastav bioplina, pH, koncentracija hlapljivih masnih kiselina (eng. Volatile Fatty Acids, VFA), ukupni anorganski ugljik (eng. Total Inorganic Carbon, TIC), prisutnost amonijakalnog dušika (eng. Ammonium-nitrogen, NH4-N), koncentracija soli, teških metala i ostalo [14]. Na temelju vrijednosti navedenih procesnih varijabli operatori bioplinskih postrojenja znaju odvija li se proces unutar dozvoljenih vrijednosti te kako reagirati ukoliko je primijećena nestabilnost u procesu. Eksperimentalni podatci također služe za modeliranje kinetike anaerobne razgradnje [15] pri čemu se ovisnosti o kompleksnosti ulaznih podataka i traženih rezultata mogu primijeniti razni kinetički modeli [16–18]. Složeniji modeli zahtijevaju veći broj ulaznih podataka, ali također daju i detaljniji uvid u mehanizam reakcija i otkrivanju tzv. uskog grla procesa koji određuje ukupnu brzinu nastanka bioplina. Osim bioplina, drugi proizvod anaerobne razgradnje je digestat kojeg čine nerazgrađeni ostatci biomase u tekućoj fazi [19]. Tekuća frakcija digestata je obično bogata makronutrijentima – dušikom (N), fosforom (P) i kalijem (K), što ju čini primjenjivom kao gnojivo za tlo [20]. Čvrsta frakcija digestata također sadrži P, ali i zaostali organski ugljik (C) što ga čini prikladnim za poboljšavanje karakteristika tla, kompostiranje [21] ili za neki od oblika energetske oporabe [22]. Prednost korištenja digestata u opisanim načinima leži u činjenici da je njegova tržišna vrijednost mala, tek 2-4 €/t [23]. Proizvedeni bioplin najčešće se koristi kao gorivo u kombiniranoj proizvodnji električne i toplinske energije, kogeneracija (eng. Combined Heat and Power, CHP). Proteklih desetljeća na razini EU mehanizmi subvencija za bioplinske kogeneracije u vidu feed-in-tariffa i feed-in-premija rezultirale su intenzivnom penetracijom bioplina u elektroenergetski sektor [24]. Razina subvencija je definirana na nacionalnoj razini, ali u svim članicama EU nije niža od 80 €/MWhel, što je gotovo dvostruko veći iznos od prosječne veleprodajne tržišne cijene električne energije u EU [25]. Također, ono što je važno napomenuti jest da su subvencije izdane na određeni period (12-20 godina od statusa stjecanja povlaštenog proizvođača električne energije [26]) nakon čega će bioplinska postrojenja morati razmotriti neke druge načine iskorištavanja (eng. Utilisation) bioplina da bi zadržale ekonomski isplativo poslovanje. Prema podatcima Europske udruge za bioplin (eng. European Biogas Association, EBA) u 2020. godini u Europi je bilo instalirano 18,943 bioplinskih postrojenja, od kojih je 18,214 (96%) radilo u kogeneracijskom načinu, a ostalih 4% kao postrojenja za proizvodnju biometana kroz tehnologiju poboljšavanja bioplina (eng. Biogas upgrading) odnosno uklanjanje svih ne-CH4 komponenti bioplina [27]. Ova doktorska disertacija detaljno razlaže inovativnije načine iskorištavanja bioplina u budućim energetskim sustavima, što će uključivati rad kogeneracijskih postrojenja u tržišnim okvirima [28], pretvorbu bioplina u biometan te proizvodnju e-metana kroz implementaciju power-to-gas (P2G) koncepta [29] u sustavima s visokim udjelom energije iz varijabilnih OIE. Primjena procjene životnog ciklusa (eng. Life Cycle Assessment, LCA) [30] može otkriti utjecaje promjene politika sirovina u proizvodnji bioplina i njegovog iskorištavanja u sprezi s budućim energetskim sustavima u odnosu na okoliš. Usporedba LCA performansi za bioplinsko postrojenje koje koristi životinjsku gnojovku i energetske usjeve pokazala je da bioplin za proizvodnju električne energije stvara uštede od oko 300 kgCO2-eq/MWhel, dok upgrading bioplina u biometan i njegovo ubrizgavanje u plinsku mrežu štedi oko 191 kgCO2-eq za proizvedeni MWh biometana [31]. Za preglednije tumačenje opisanih rezultata potrebno je izraziti emisije istom jedinicom, ali i prezentirati podatke o sastavu miksa električne energije (eng. Electricity mix). Za slučaj Irske, LCA je pokazao da integracija P2G koncepta za upgrading bioplina, uz korištenje električnog miksa od 85% OIE, može rezultirati smanjenjem GHG emisija za 70% u odnosu na fosilna goriva [32]. Na temelju pregleda literature (detaljniji prikaz u poglavlju Introduction), dosad nije zabilježeno istraživanje u području anaerobne razgradnje koje povezuje mapiranje i korištenje ostatne i otpadne biomase za proizvodnju bioplina sa njegovim iskorištavanjem u budućim energetskim sustavima. Ova doktorska disertacija je ocijenila takav cjeloviti pristup i predstavila rezultate istraživanja iz perspektive jednog, odnosno više bioplinskih postrojenja. Interdisciplinarni i cjeloviti pristup prema promatranoj temi koristio je elemente kemijskog i strojarskog inženjerstva za ispunjavanje četiri glavna cilja istraživanja: • • Kvantificirati proizvodnju bioplina koristeći nove supstrate biomase kao što su lignocelulozni ostatci iz poljoprivredne proizvodnje, otpadna hrana i industrijski nusproizvodi koji nisu konkurentni proizvodnji hrane, kao što je to slučaj s kukuruznom silažom u sadašnjoj proizvodnji bioplina. • • Procijeniti kinetičke parametre anaerobne razgradnje novih supstrata kombinirajući matematičko modeliranje i eksperimentalne podatke kako bi utvrdili utjecaj kemijskog sastava supstrata na stabilnost procesa i eventualna ograničenja u procesu. • • Utvrditi ekonomski isplative načine budućeg rada bioplinskih postrojenja na naprednim energetskim tržištima nakon što bioplinska postrojenja ostanu bez financijskih potpora i zajamčene cijene električne energije. • • Procijeniti utjecaje na okoliš različitih načina korištenja bioplina integriranih u buduće energetske sustave s visokim udjelom obnovljivih izvora energije. Ostvareni ciljevi istraživanja te rezultati prezentirani su široj znanstvenoj zajednici kroz sedam objavljenih znanstvenih radova (šest radova u kvartilu Q1 te jedan rad u Q2). Znanstveni članak 1 (ARTICLE 1) [33] prikazuje detaljnu analizu lanaca vrijednosti biomase iz različitih poljoprivrednih ostatka, nusproizvoda i otpada (eng. Agricultural wastes, co-products and by-products, AWCB). Rad opisuje faze u kojima i kako nastaje otpad kroz tri specifična koraka u lancu vrijednosti: proizvodnja/uzgoj, obrada u industriji te potrošnja/konzumacija. Analiza uključuje razdoblje od 7 godina, od 2010. do 2016. u 28 zemalja članica Europske unije (EU28) te uključuje četiri različita sektora sa 26 analiziranih dobara (eng. Commodity) i prikladnim vrstama otpada koji se pojavljuju u tim sektorima. Za izračun tehničkog potencijala AWCB korišteni su javno dostupni podaci iz EUROSTAT i FAOSTAT baze, a metoda proračuna uključivala je upotrebu specifične količine AWCB po analiziranim dobrima i sektoru. Rezultati su pokazali da je u analiziranom periodu u EU28 procijenjena količina AWCB iznosila oko 18,4 milijarde tona, a prema udjelima: animalni sektor ~ 31%, sektor povrća ~ 44%, sektor žitarica ~ 22% te sektor voća ~ 2%. Analizirajući pojedine sektore i količine nastalog AWCB, daljnje istraživanje bilo je usmjereno na evaluaciju korištenja određenih AWCB iz lanca vrijednosti biomase u procesu anaerobne razgradnje s ciljem proizvodnje bioplina. Znanstveni članci 2, 3 i 4 pokazuju rezultate takvog pristupa uz primjenu istraživačkih metoda kemijskog inženjerstva. ARTICLE 2 [34] istražuje upotrebu lignoceluloznih ostataka trave kao zamjene za silažu kukuruza u anaerobnoj razgradnji. Uzorci trave prikupljeni su s područja koja nisu kompetitivna s proizvodnjom hrane: neobrađeno zemljište, obala rijeke Save u gradu Zagrebu te bankina autoceste. U istraživanju je određen svježi i suhi prinos biomase, njezin kemijski sastav, prinos te sastav proizvedenog bioplina, a primjenom Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) modela određeni su kinetički parametri razgradnje trave. Ujedno, na kraju je dana usporedba okolišnijih učinaka zamjene kukuruzne silaže ostatnom travom u proizvodnji električne i toplinske energije. Rezultati istraživanja su pokazali da je najveći prinos ostatne trave utvrđen za obalu rijeke, sa prosječnom vrijednošću od 19 t/ha svježe mase i 2.6 t/ha suhe mase. Svi uzorci trave pokazali su zadovoljavajuće parametre za primjenu u anaerobnoj razgradnji − omjer C/N između 16.6: 1 do 22.8: 1. Ostvareni biokemijski potencijal metana u monorazgradnji (monodigestiji) ostataka trave su: 0.275 Nm3/kgTS za travu s neobrađenog zemljišta, 0.192 Nm3/kgTS za travu s obale rijeke i 0.255 Nm3/kgTS za travu s bankine autoceste. Procijenjeni kinetički parametri razgradnje trave razlikuju se od do sada objavljenih rezultata, prvenstveno zato što prijašnje analize uključuju specifične tipove travnate biomase, a ne ostatnu (miješanu) travu. Procijenjeni okolišniji utjecaji zamjene kukuruzne silaže travnatom biomasom u proizvodnji električne i toplinske energije pokazali su prednosti u smislu ostvarenog doprinosa kvaliteti ekosustava (eng. Ecosystem quality) i ljudskog zdravlja (eng. Human health), no također i nešto veće emisije GHG uzrokovane izgaranjem fosilnih goriva u poljoprivrednoj mehanizaciji i povećanim transportom trave zbog nižeg prinosa bioplina u odnosu na silažu. Čvrsta frakcija digestata dobivena u procesu monodigestije trave korištena je u znanstvenom članku 3 (ARTICLE 3) kao ulazni materijal za istraživanje procesa pirolize. Cilj istraživanja u ARTICLE 3 [35] bio je odrediti utjecaj anaerobne razgradnje na sastav lignocelulozne biomase korištenjem termogravimetrijske analize (eng. Thermogravimetric analysis, TGA). Također, procijenjeni su iznosi energije aktivacije i modificiranog predeksponencijalnog faktora za travu i njezine digestate, kao i prinos konačnog ostatka pirolize (eng. Biochar). Rezultati su pokazali da je procijenjena količina razgrađene celuloze i hemiceluloze u istraživanim uzrocima trave oko 44–50%. Nadalje, digestati trave pokazali su veći prinos biochar-a (oko 38%) u odnosu na uzorke trave (oko 24%). Kombinirani proces anaerobne razgradnje trave i pirolize njezinih digestata pokazao je manje vrijednosti procijenjenih kinetičkih parametra što upućuje na niže energetske potrebe takvog procesa u odnosu na direktnu pirolizu trave. ARTICLE 4 [36] bio je izrađen u suradnji sa industrijom biomase i bioplina. U radu je eksperimentalno istražena razgradnja otpadne hrane (eng. Food waste, FW) iz bioplinskog postrojenja zajedno s nusproizvodnima iz kafilerije (eng. Rendering plant): mesno-koštano brašno (eng. Meat and bone meal, MBM) i mulj sa otpadnih voda (eng. Wastewater sludge, WWS). Prvo je provedena termička predobrada uzoraka FW (FW1 i FW2) pri temperaturi od 35 °C i trajanju 5 dana u koju su bili dodani MBM i WWS u udjelima od 5, 10 i 15% TS. Nakon toga slijedila je anaerobna razgradnja pri 40.5 °C u trajanju od 40 dana. Uvjeti termičke predobrade i proizvodnje bioplina u laboratorijskom mjerilu replicirani su iz rada samog bioplinskog postrojenja. Također, za vrijeme procesa u laboratoriju bile su praćene sve procesne varijable kao i u radu digestora na postrojenju. Kao rezultat predobrade kemijska potrošnja kisika (eng. Chemical Oxygen Demand, COD) ispitivanih uzoraka povećala se za 7 – 26%. Dodavanjem MBM u FW1 došlo je do povećanja vrijednosti COD kao i NH4-N, dok se u slučaju dodatka WWS u FW2 postiglo smanjenje, što je i bilo očekivano, budući da je WWS materijal s niskim udjelom organske tvari. Kao rezultat testa anaerobne razgradnje dobiveni su sljedeći prinosi bioplina: za FW1 – 0.566 Nm3/kg TS, za FW1-MBM – 0.499 Nm3/kg TS, za FW2 – 0.252 Nm3/kg TS i 0.195 Nm3/kg TS za FW2-WWS. Tako širok raspon vrijednosti rezultat je heterogenosti FW (FW1 i FW 2 uzete su s vremenskim razmakom od dva mjeseca na istom postrojenju). Prema sastavu proizvedenog bioplina, kao i ostalim procesnim varijablama može se zaključiti da su FW1 i FW2 vrlo slični po sastavu, ali da je istovremeno postojao neki uzročnik inhibicije u proizvodnji bioplina za uzorak FW2, koji se nije mogao procijeniti na temelju dostupne opreme i provedenih mjerenja. Tek su mjerenja električne vodljivosti ukazala na to da uzorak FW2 sadrži nešto veću koncentraciju soli koja bi mogla biti uzročnik smanjenog prinosa bioplina. Nusproizvodi kafilerije dodani u 5%-tnom udjelu uzrocima FW rezultirali su smanjenjem proizvodnje bioplina za 12% u slučaju MBM i 23% u slučaju WWS, ali nisu utjecali na stabilnost proizvodnje. Štoviše, analizom kinetike razgradnje ustanovljeno je da MBM i WWS ubrzavaju proces razgradnje FW što se vidi iz višeg iznosa reakcijske konstante. Također, pokazano je da ispitivani uzorci najbolje koreliraju sa kinetikom prvog reda što je vidljivo iz najniže ostvarene vrijednosti RMSE (eng. Root mean square error) koja je iznosila 0.015 Nm3/kg TS. U znanstvenom članku 5 (ARTICLE 5) [37] provedena je tehno-ekonomska i scenarijska analiza rada bioplinskog postrojenja nakon isteka subvencija za proizvodnju električne energije. Vođenje takvog sustava temeljilo se na iznosu cijena električne energije i biometana (eng. Unit commitment with economic dispatch) koje su određivale koja od jedinica za prihvat bioplina: CHP, upgrading ili spremnik ima najveću ekonomsku isplativost u danom trenutku. Za opis dinamike korišten je program MATLAB/Simulink, a za ekonomsku analizu MS Excel. U prvom scenariju prikazan je utjecaj cijene proizvodnje električne energije u bioplinskom postrojenju (eng. Break-even point of electricity production, BECPel) na broj radnih sati kada ono može ostvariti svojevrstan profit na dan-unaprijed tržištu (eng. Day-ahead market) električne energije. Rezultati su pokazali da kada vrijednost BECPel postane 40 €/MWhel, bioplinsko postrojenje može ostvariti (neki) profit radeći samo 4,000 sati godišnje, kako je ostalo vrijeme cijena električne energije na tržištu niža od cijene proizvodnje. Kada BECPel postane 100 €/MWhel bioplinsko postrojenje ne može ostvariti nikakav profit radeći na dan-unaprijed tržištu. Kao jedno od rješenja koje se nameće za smanjenje vrijednosti BECPel je korištenje supstrata s negativnom cijenom (GF model) koja je detaljnije prikazana u članku 6 (ARTICLE 6). Drugi scenarij uključivao je instaliranje upgrading jedinice i proizvodnju biometana, a proizvodnja električne energije ovisila je o cijenama na tržištu uravnoteženja (eng. Balancing market). Takav pristup je pokazao da bioplinsko postrojenje i uz relativno visoku cijenu biometana od 80 €/MWh, može u određenim trenutcima ostvariti i veći profit ako radi na balancing tržištu. Treći scenarij za bioplinsko postrojenje uključivao je integraciju industrijskog otpada iz proizvodnje šećera za proizvodnju bioplina i njegovo korištenje za proizvodnju procesne topline u vrijeme šećerne kampanje. Takav pristup pokazao se relativno neisplativim za bioplinsko postrojenje kako je cijena prir