Παρακολούθηση μονάδων βιοαερίου

H παραγωγή μεθανίου/βιοαερίου από οργανικής προέλευσης α’ ύλες είναι πλέον μια πολύ καλά μελετημένη διεθνώς βιοχημική διεργασία μετά από 44 περίπου χρόνια συστηματικής έρευνας και εφαρμογής, προσπάθεια που ξεκίνησε με αφορμή την ενεργειακή κρίση του 1973 και την εξ αυτής στροφή προς την ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Εξίσου σημαντική πρόοδος επιτεύχθηκε στο διάστημα αυτό και στην απόκτηση τεχνογνωσίας γύρω από τις εγκαταστάσεις και τον εξοπλισμό, που απαιτούνται για την παραγωγή και την αξιοποίηση του βιοαερίου (συμπαραγωγή κυρίως θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας).

Στην Ευρώπη, οι χώρες που ξεχώρισαν στον τομέα της παραγωγής και αξιοποίησης βιοαερίου, προσαρμόζοντάς τες στις δικές τους συνθήκες είναι οι Σκανδιναβικές (κυρίως η Σουηδία και η Δανία), που έδωσαν έμφαση στη δημιουργία μεγάλων συλλογικών κεντρικών μονάδων παραγωγής βιοαερίου και διανομής του, μέσω κεντρικού δικτύου, στους καταναλωτές και η Γερμανία που έδωσε έμφαση στην ανάπτυξη της τεχνολογίας γύρω από την παραγωγή βιοαερίου από ατομικές, αγροτικού χαρακτήρα κυρίως, μονάδες παραγωγής βιοαερίου προηγμένης τεχνολογίας. Όπως ήταν αναμενόμενο, η ανάγκη για επιτυχημένη προσαρμογή των ως άνω εγκαταστάσεων στις χώρες παραγωγής τους, αποτέλεσε κίνητρο για την εξάπλωσή τους και προς τρίτες ευρωπαϊκές και μη χώρες, οι οποίες στερούνταν της ανάλογης υποδομής και επιστημονικής υποστήριξης στο βαθμό που χρειαζόταν. Την έλλειψη αυτή προσπαθούν να καλύψουν σήμερα με τηλε-συστήματα στενής παρακολούθησης και τεχνικής επίβλεψης των εγκαταστάσεων απευθείας από την μακρινή τους έδρα οι κατασκευαστές. Η ως άνω διαδικασία έχει σοβαρά μειονεκτήματα, όπως είναι η απουσία ευελιξίας και προσαρμογής στις συνθήκες της περιοχής λειτουργίας της μονάδας και υψηλό ανελαστικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας.

Η χώρα μας ανήκει στην κατηγορία των χωρών της Ευρώπης, που μέχρι σήμερα, δέχονται έτοιμη την τεχνολογία παραγωγής βιοαερίου, όπως αυτή διαμορφώθηκε με βάση τις συνθήκες και την εμπειρία των χωρών της κεντρικής και βόρειας Ευρώπης, όπως προαναφέρθηκε, χωρίς δυνατότητα προσαρμογής τους στις εντελώς διαφορετικές συνθήκες του Ελληνικού χώρου. Έτσι παρατηρείται το φαινόμενο να εγκαθίστανται μονάδες παραγωγής βιοαερίου υψηλής τεχνολογικής στάθμης σε κτηνοτροφικές μονάδες ή αλλού, με την έτοιμη τεχνογνωσία της κατασκευάστριας εταιρείας, χωρίς την απαιτούμενη υποδομή, χωρίς την ευελιξία χρήσης α’ υλών των περιοχών και χωρίς ουσιαστική πρόβλεψη για τη διαχείριση των υγρών εκροών τους.

Βιολογική λειτουργία

Για να διασφαλιστεί η καλή λειτουργία μιας εγκατεστημένης μονάδας παραγωγής βιοαερίου, όλα τα μέρη της διαδικασίας θα πρέπει να δουλεύουν αρμονικά μεταξύ τους. Το πλέον σημαντικό κομμάτι της λειτουργίας είναι η βιολογική διαδικασία της χώνευσης. Η αναερόβια χώνευση είναι μια βιολογική διεργασία κατά την οποία διάφοροι αναερόβιοι μικροοργανισμοί βιοαποδομούν οργανικές ουσίες παράγοντας κατά κύριο λόγο μεθάνιο (CH4) το οποίο αποτελεί την πιο ανοιγμένη οργανική μορφή του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2)  το οποίο αποτελεί την πιο οξειδωμένη του μορφή. Πιο συγκεκριμένα, το παραγόμενο βιοαέριο από την αναερόβια χώνευση είναι μίγμα αερίων με τυπική σύνθεση 45-70% CH4, 25-55% CO2 και ίχνη υδρογόνου (Η2), αζώτου (Ν2), υδρογονανθράκων, υδρατμών και υδρόθειου (Η2S). Η αναερόβια χώνευση είναι μια βιολογική διεργασία που πραγματοποιείται σε συνθήκες ανοξίας και αποτελείται από τέσσερις κύριες μεταβολικές φάσεις στις οποίες συμμετέχουν αντίστοιχοι μικροοργανισμοί: 1)Υδρολυτική Φάση, 2)Οξεογόνος Φάση, 3)Οξικογόνος Φάση και 4)Μεθανογόνος Φάση.

Το σημείο στο οποίο λειτουργεί η μονάδα με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο, όταν δηλαδή η παραγωγή αερίου είναι στο μέγιστο και δεν υπάρχει κανένας κίνδυνος ότι η διαδικασία θα καταρρεύσει, μπορεί να προσδιοριστεί μόνο με τη δοκιμή μιας ποικιλίας επιλογών και συνεχή παρακολούθηση της διαδικασίας. Μια αποτυχία μπορεί να είναι εξαιρετικά δαπανηρή. Παύση της παραγωγής βιοαερίου για αρκετές εβδομάδες και ο απαιτούμενος όγκος εργασίας (άντληση, εκκένωσης του χωνευτήρα κ.λπ.) για την εκ νέου λειτουργία της εγκατάστασης μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την κερδοφορία ενός ολόκληρου έτους.

Δείκτες καλής λειτουργίας ενός αναερόβιου χωνευτήρα

Διάφορες παράμετροι έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς, ως δείκτες καλής λειτουργίας ενός αναερόβιου χωνευτήρα. Ένας ιδανικός δείκτης θα πρέπει να προσδιορίζεται εύκολα, να εντοπίζει έγκαιρα μια ανωμαλία και να εκφράζει τη συνολική μικροβιακή δραστηριότητα στο χωνευτήρα. Επιπλέον, θα πρέπει η σχετική αλλαγή, που θα εμφανίζει ο δείκτης, σε περίπτωση ανωμαλίας, να είναι στατιστικά σημαντική, σε σχέση με μικροαλλαγές, που παρατηρούνται στη λειτουργία του χωνευτήρα λόγω της αναπόφευκτης διακύμανσης του οργανικού φορτίου ή άλλων λειτουργικών παραγόντων.

• Παραγωγή και σύνθεση βιοαερίου

Οι μεταβολές στην ποσότητα και τη σύνθεση του βιοαερίου θα πρέπει να εξετάζονται πολύ προσεκτικά, καθώς μπορεί να οφείλονται απλά και μόνο σε μεταβολές στη σύσταση των αποβλήτων και την οργανική φόρτιση του χωνευτήρα. Για το λόγο αυτό θα πρέπει η παραγωγή βιοαερίου να σχετίζεται πάντα με την αναμενόμενη απόδοση των αποβλήτων σε βιοαέριο.

• Συγκέντρωση πτητικών λιπαρών οξέων

Η συσσώρευση οργανικών οξέων και αλκοολών συνοδεύεται από παρεμπόδιση της αναερόβιας χώνευσης, αλλά η αιτία δεν είναι οι ουσίες αυτές. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος για τη διαπίστωση της παρεμπόδισης αυτής είναι η μέτρηση της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων. Έντονες μεταβολές στη συγκέντρωση των οξέων αυτών με το χρόνο συνιστούν πολυτιμότερη παράμετρο για την πορεία της αναερόβιας χώνευσης, παρά το επίπεδο της συγκέντρωσής τους μέσα στον αναερόβιο χωνευτήρα. Το τελευταίο δείχνει τη σημασία και την αναγκαιότητα της συστηματικής παρακολούθησης και δειγματοληψίας για τη διατήρηση της καλής λειτουργίας του χωνευτήρα.

• Συγκέντρωση πτητικών στερεών ή COD

Η μείωση των πτητικών στερεών ή COD (Chemical Oxygen Demand) μεταξύ των υγρών εισόδου και εξόδου του αναερόβιου χωνευτήρα αποτελεί δείκτη της απόδοσης της αναερόβιας χώνευσης. Μια μείωση του ποσοστού ελάττωσης των πτητικών στερεών ή COD μεταξύ εισόδου και εξόδου υποδηλώνει παρεμπόδιση στην πορεία της αναερόβιας χώνευσης.

• Τιμή pH

Υπάρχει ένα εύρος τιμών pH που θεωρείται ευνοϊκό για την αναερόβια χώνευση και πιθανή πτώση θεωρείται περισσότερο επικίνδυνη για την ομαλή διαδικασία παραγωγής βιοαερίου από μια άνοδο. Παρεμπόδιση της αναερόβιας χώνευσης οδηγεί, κατά κανόνα, σε συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων με τελικό αποτέλεσμα την πτώση του pH. Μπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητικός δείκτης της πορείας της αναερόβιας χώνευσης μόνο σε περιπτώσεις αποβλήτων με μικρή ρυθμιστική ικανότητα. Αυτό γιατί η πτώση του pH δεν γίνεται συγχρόνως με τη συσσώρευση των οξέων, λόγω της ρυθμιστικής ικανότητας που έχει το υγρό περιεχόμενο του χωνευτήρα.

• Αλκαλικότητα

Σε απόβλητα μεγάλης ρυθμιστικής ικανότητας, όπως είναι τα υγρά πτηνο-κτηνοτροφικά, η ολική αλκαλικότητα θεωρείται αποτελεσματικότερος δείκτης της πορείας της αναερόβιας χώνευσης από το pH. Η αλκαλικότητα των αποβλήτων οφείλεται κυρίως στα όξινα ανθρακικά ανιόντα και τα πτητικά λιπαρά οξέα και η τιμή της εξαρτάται από την τιμή του pH, που επιλέγεται ως τελικό σημείο της τιτλοδότησης. Καλό είναι, ως παράμετρος να συνδυάζεται με τη συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων.

• Λόγος FOS/TAC

Ο λόγος  FOS/TAC είναι αναγνωρισμένος ως κατευθυντήρια τιμή για την αξιολόγηση των διαδικασιών της χώνευσης. Η τιμή TAC (Totales Anorganisches Carbona / Ολικός Ανόργανος Άνθρακας) είναι μια εκτίμηση της ρυθμιστικής ικανότητας  του δείγματος και η τιμή FOS (Flüchtige Organische Säuren / Πτητικά Οργανικά Οξέα) αντιστοιχεί στην περιεκτικότητα σε πτητικά οργανικά οξέα. Υπολογίζεται εμπειρικά σύμφωνα με τη μέθοδο Nordmann και επιτρέπει την ανίχνευση προβλημάτων λειτουργίας του χωνευτήρα σε πρώιμα στάδια ώστε να δώσει στο χειριστή τη δυνατότητα να ξεκινήσει αντίμετρα.

BMP tests – AMPTS II Light

Βασική παράμετρος προσδιορισμού της πραγματικής απόδοσης ενός χωνευτήρα είναι η αξιολόγηση των α’ υλών που θα χρησιμοποιηθούν στο μίγμα της χώνευσης. Σε ένα τέτοιο μίγμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν πτηνο-κτηνοτροφικά απόβλητα, οργανικά υπολείμματα, φυτική βιομάζα, υποπροϊόντα μονάδων επεξεργασίας τροφίμων κ.ο.κ. Στα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά των παραπάνω μπορεί να παρουσιαστούν διακυμάνσεις που διαφέρουν ανάλογα με την πηγή προέλευσής τους και τις συνθήκες αποθήκευσής τους. Χρησιμοποιώντας λοιπόν ως δεδομένο έναν μέσο όρο ή μια βιβλιογραφική τιμή ενός χαρακτηριστικού, η οποία μπορεί να αποκλίνει αρκετά της πραγματικής τιμής,  καταλήγει να αποτελέσει διαφορά στον τελικό προσδιορισμό ή στην αναμενόμενη απόδοση ενός υλικού.

Από τις πλέον σημαντικές παραμέτρους ενός υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως α’ ύλη στην αναερόβια χώνευση είναι η αναμενόμενη απόδοση σε μεθάνιο και ο απαιτούμενος χρόνος βιοαποδόμησης του υλικού αυτού. Όλα τα παραπάνω μπορούν να προσδιοριστούν μέσω τεστ δοκιμών παραγωγής μεθανίου, γνωστών ως BMP (Bio Methane Potential) tests. Τα τεστ αυτά πραγματοποιούνται σε μικρούς εργαστηριακούς batch χωνευτήρες. Το AMPTS II της Bioprocess θεωρείται πλήρως αξιόπιστη επιλογή και έχει υιοθετηθεί από πολλούς οργανισμούς και εκπαιδευτικά ιδρύματα παγκοσμίως.

Ένα τέτοιο τεστ επιτρέπει τον προσδιορισμό του δυναμικού του βιομεθανίου, της αναερόβιας βιοαποδόμησης και του προφίλ αποικοδόμησης οποιουδήποτε υποστρώματος βιομάζας. Με αυτόν μπορεί να επιλεγεί και να προσδιοριστεί ένα υπόστρωμα ανάλογα με το πραγματικό ενεργειακό του περιεχόμενο, εξασφαλίζοντας έτσι τον έλεγχο των ποσοτήτων του υποστρώματος στη μονάδα του βιοαερίου. Μέσω της πλήρης διερεύνησης του δυναμικού βιοαερίου ή βιομεθανίου όλων των διαθέσιμων υποστρωμάτων επιτρέπεται η λήψη καλύτερων επιχειρηματικών αποφάσεων με βάση την πραγματική αξία ενός υποστρώματος.

Το AMPTS II Light υποστηρίζει όλα τα πρωτόκολλα δοκιμών βιοαποδόμησης, βιοχημικής παραγωγής μεθανίου (BMP) και ειδικής μεθανογόνου δραστηριότητας (SMA), επιτρέποντας την τυποποίηση των διαδικασιών μέτρησης, της ερμηνείας και έκθεσης των δεδομένων. Η υψηλή ποιότητα των δεδομένων που λαμβάνονται, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή σημαντικών πληροφοριών κινητικής στη διαδικασία αποικοδόμησης, η οποία με τη σειρά της μπορεί χρησιμοποιηθεί για την επιλογή και την τιμολόγηση υποστρωμάτων σύμφωνα με την πραγματική ενεργειακή τους περιεκτικότητα.

Η πραγματική ενεργειακή περιεκτικότητα ενός υποστρώματος βιομάζας αποτελεί

σημαντικό πλεονέκτημα στο σχεδιασμό μια μονάδας βιοαερίου και κυρίως βοηθά τους φορείς εκμετάλλευσης της μονάδας βιοαερίου και τους προμηθευτές των α’ υλών να ελέγξουν καλύτερα την τιμολόγηση, έχοντας όλα θετικό αντίκτυπο στη συνολική κερδοφορία ενός έργου.     

Σχεδιασμός και παρακολούθηση μονάδων βιοαερίου από την Kiefer

Η Kiefer μέσω του εξειδικευμένου προσωπικού της αλλά και του πλήρως εξοπλισμένου εργαστηρίου που διαθέτει, έχει καταφέρει να δημιουργήσει μια κατάσταση που μέχρι σήμερα κατατασσόταν στην εισαγόμενη, όπως αρχικά περιγράφηκε, τεχνογνωσία και υποστήριξη μονάδων βιοαερίου. Βάζοντας σε προτεραιότητα τις ανάγκες προσαρμογής στις συνθήκες της κάθε περιοχής, τις απαιτήσεις και την διαθεσιμότητα των α’ υλών, σχεδιάζει, κατασκευάζει και λειτουργεί μονάδες βιοαερίου.

Συνοψίζοντας, από τις παραμέτρους βιολογικής παρακολούθησης μια μονάδας βιοαερίου, τους δείκτες καλής λειτουργίας και τη δυνατότητα προσδιορισμού της πραγματικής μεθανογόνου απόδοσης ενός υποστρώματος, θεωρείται ότι ο κύκλος των εργαστηριακών αναλύσεων που δύναται να πραγματοποιηθούν και η αξιολόγησή τους σύμφωνα με τα δεδομένα και τις απαιτήσεις που προκύπτουν κάθε φορά, καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος στην επιτυχημένη εκκίνηση, τη σωστή παρακολούθηση και λειτουργία μιας μονάδας. Μέσω των BMP tests και του προσδιορισμού των ολικών και πτητικών στερεών ενός υποστρώματος επιλέγεται ή όχι μια α’ ύλη και καλύπτεται από μεριάς απόδοσης ο σχεδιασμός των χωνευτήρων. Τακτικές δειγματοληψίες και

αναλύσεις τιμών pH, αγωγιμότητας, αλκαλικότητας, συγκέντρωση ολικών και πτητικών στερεών, λόγου FOS/TAC αλλά και συγκριτική ανάλυση όλων των παραπάνω, καλύπτουν μια σειρά μετρήσεων που σε συνδυασμό με τη σωστή ερμηνεία τους, κλείνουν έναν κύκλο παρακολούθησης της ικανοποιητικής πορείας της αναερόβιας χώνευσης.

Κάθε κατασκευασμένη ή υπό κατασκευή μονάδα βιοαερίου, λόγω της εξ ορισμού μοναδικότητας της διαδικασίας λειτουργίας, αντιμετωπίζεται κάθε φορά ξεχωριστά. Γνωρίζοντας την ποικιλομορφία των ελληνικών συνθηκών και μέσω των εργαστηριακών αναλύσεων που πραγματοποιούνται, η Kiefer έχει τη δυνατότητα να σχεδιάσει, να εκκινήσει και να παρακολουθήσει τη λειτουργία ενός χωνευτήρα με γνώμονα την βέλτιστη απόδοση και ταυτόχρονα τη διατήρηση της σταθερότητας της αναερόβιας χώνευσης.

– Η Μαρία Δρούγα είναι Υπεύθυνη Τμήματος Έρευνας & Ανάπτυξης Βιοαερίου στην kIEFER.

 

Πηγή: https://energypress.gr