Andrea Hublin EKONERG

1. 2. seminar na temu: „Proizvodnja bioplina i biometana iz biorazgradivog otpada“ u okviru IEE UrbanBiogas projekta 20.3.2014., Energetski institut Hrvoje Požar Energetski, ekonomski i ekološki učinci korištenja bioplina dobivenog digestijom biorazgradivog organskog otpada Andrea Hublin EKONERG EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

2. Sadržaj • anaerobna razgradnja (digestija) biorazgradivog organskog otpada • prednosti - oporaba energije, okolišna prihvatljivost, smanjenje emisije stakleničkih plinova • optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada • modeliranje procesa kodigestijebiorazgradivog organskog otpada • tehno-ekonomski i ekološki aspekti korištenja bioplina dobivenog digestijom agro-industrijskog otpada • analiza osjetljivosti 2 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

3. Digestija - prednosti u odnosu na ostale postupke obrade otpada • proizvodnja neutralnog goriva s obzirom na ugljikov dioksid u obliku bioplina -energetski učinkovita i ekološki prihvatljiva tehnologija za proizvodnju bioenergije • zamjena fosilnih goriva u proizvodnji električne energije i topline, korištenje stlačenog biometana u prometu, proizvodnja električne energije i topline u gorivim ćelijama, proizvodnja kemijskih spojeva, utiskivanje biometana u mrežu prirodnog plina • proizvodnja digestata • usklađenost s nacionalnom regulativom vezanom uz gospodarenje otpadom - smanjenje količine odloženog biorazgradivog otpada • smanjena količina proizvedenog mulja - anaerobna obrada u odnosu na aerobnu • smanjena emisija neugodnih mirisa • učinkovito uklanjanje patogenih mikroorganizama 3 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

4. Podjela procesa anaerobne razgradnje 4 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

5. Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada (1) • cilj - maksimalna proizvodnja bioplina • parametri koji utječu na proces anaerobne razgradnje: • vrsta i sastav supstrata • temperatura • pH-vrijednost i kapacitet pufera • inhibicija i toksičnost • miješanje i hidrauličko vrijeme zadržavanja supstrata u reaktoru • brzina unosa organske tvari u reaktor • supstrat - biorazgradiva frakcija ulaznog materijala - izvor energije i hranjivih tvari, određuje uvjete u reaktoru • karakterizacija preko vrijednosti kemijske potrošnje kisika (KPK) i masenog udjela hlapive tvari • potencijal stvaranja metana (prinos metana) - važan čimbenik vrednovanja supstrata za kodigestiju 5 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

6. Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada (2) • kodigestija - najčešći način proizvodnje bioplina anaerobnom razgradnjom - mješavina dvaju ili više različitih supstrata u cilju postizanja optimalnog omjera C:N za rast bakterija • poboljšanje potencijala stvaranja bioplina i metana • odabir vrste i količine supstrata pogodnih za mješavinu supstrata ovisi o masenom udjelu suhe tvari te masenim udjelima ugljikohidrata, proteina i lipida koji utječu na prinos metana i bioplina • razdvajanje procesa anaerobne razgradnje u dva stupnja - poboljšanje učinkovitosti i stabilnosti procesa, smanjenje troškova • prvi stupanj - hidroliza i acidogeneza • drugi stupanj - acetogeneza i metanogeneza 6 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

7. Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada (3) Karakteristike supstrata koji se koriste u procesu anaerobne razgradnje1 U - ugljikohidrati; P - proteini; L - lipidi; LAK - laktoza 1T. Al Seadi: Good practice in quality management of AD residues from biogas production. IEA Bioenergy. Task 24 Energy from Biological Conversion of Organic Waste, 2001. 7 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

8. Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom sirutke i goveđe gnojovke (1) • kodigestija sirutke i goveđe gnojovke • sirutka - nusproizvod mljekarske industrije - sadrži laktozu, topljive proteine, lipide, mineralne soli, izrazito podložna biorazgradnji ( 99%) • veliko organsko opterećenje - vrijednost KPK od 60 000 do 100 000 mg dm-3 • prinos metana - veći od 400 dm3 kg-1 hlapive tvari • goveđa gnojovka - sadrži veliki udio vode, neotopljene i otopljene organske tvari (ugljikohidrate, lipide i proteine) i anorganske spojeve - slaba anaerobna biorazgradivost • organsko opterećenje - vrijednost KPK od 39 000 do 54 000 mg dm-3 • prinos metana - od 100 do 400 dm3 kg-1 hlapive tvari • optimalni uvjeti za maksimalnu proizvodnju bioplina i metana u kotlastom reaktoru: temperatura 55 oC, početni volumni udio sirutke 10 %, uz dodatak 5 g dm-3 bikarbonatnog pufera (za kontrolu pH-vrijednosti)2 2A. Hublin, T. Ignjatić Zokić, B. Zelić: Optimization of biogas production from co-digestionof whey and cow manure. Biotechnol. Bioprocess Eng. 17 (2012) 1284-1293 8 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

9. Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom sirutke i goveđe gnojovke (2) • učinkovitost procesa kodigestije • povećan volumen proizvedenog bioplina za 12 % • najveći volumni udio metana u bioplinu iznosi 79 % • smanjenje ukupnog organskog opterećenja izraženog preko vrijednosti KPK od 55 % Specifični volumen proizvedenog bioplina(□) i vrijednost KPK (■) tijekom 45 dana kodigestije smjese koja sadrži 10 % sirutke i 90 % gnojovke, pri 55 oC 9 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

10. Modeliranje procesa kodigestije biorazgradivog organskog otpada • cilj-simulacija proizvodnje metana tijekom procesa kodigestije • biorazgradivost supstrata i inhibirajuće djelovanje produkata razgradnje utječu na kinetiku različitih faza anaerobne razgradnje 2 A. Hublin, B. Zelić: Modelling of the whey and cow manure co-digestion process. Waste Manage. Res. 31 (2013) 353-360 10 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

11. Tehno-ekonomska analiza • pretpostavke: • kogeneracijsko postrojenje na bazi plinskog motora - 300 kW električne snage, 510 kW toplinske snage • ekskrementi 450 uvjetnih grla razgrađuju se u kotlastom reaktoru • temperatura 55 oC • Bioplinska energana sastoji se od dva dijela: • bioplinsko postrojenje - sastoji se od jedinice za skladištenje supstrata, sustava za doziranje i punjenje sirovinom, digestora (fermentora), plinohrana (spremnika za bioplin), spremnika za digestat i sustava za preradu/pročišćavanje bioplina • energana - sastoji se od jedinica za proizvodnju električne energije i topline, trafostanice i jedinice za kontrolu i praćenje tehnoloških procesa 11 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

12. Shematski prikaz bioplinske energane 12 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

13. Tehno-ekonomski aspekti korištenja bioplina dobivenog digestijom agro-industrijskog otpada Masena i energetska bilanca bioplinske energane 13 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

14. Ekonomska analiza investicijskog projekta (1) • pretpostavke: • trošak nabave goveđe gnojovke i sirutke biti će samo trošak transporta;sirutka će se nabavljati u dogovoru s mljekarama, po tržišnoj cijeni • proizvedeni bioplin će se koristi kao gorivo u kogeneracijskom postrojenju na bazi plinskog motora • digestat će biti iskorišten na obradivim površinama, bez naknade • sva proizvedena električna energija (umanjena za vlastitu potrošnju)plasirati će se u elektroenergetsku distribucijsku mrežu po poticajnoj otkupnoj cijeni koja će se ostvariti na temelju sklopljenog ugovora s Hrvatskim operatorom tržišta energije (HROTE) u trajanju od 14 godina (u 15. godini cijena električne energije više neće biti poticajna nego tržišna - procjenjuje se kao sadašnja tržišna cijena električne energije uvećana za očekivanu stopu inflacije za sljedećih 15 godina) 14 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

15. Ekonomska analiza investicijskog projekta (2) • pretpostavke: • od ukupno proizvedene topline dio će se iskoristiti za zagrijavanje digestora (fermentora); drugi dio proizvedene topline prodavati će se obližnjim staklenicima za uzgoj povrća ili za drugu namjenu; preostala neiskorištena toplina ispuštati će se u okolišni zrak • analiza je provedena za period promatranja koji uključuje period investiranja od 2 godine i varijante perioda efektuiranja investicijskog projekta: 12, 15 i 20 godina • diskontna stopa od 6 % korištena je pri izračunu neto sadašnje vrijednosti 15 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

16. Ekonomska analiza investicijskog projekta (3) • pretpostavljeno postrojenje je isplativo za period promatranja od 12 i 15 godina • ostvaruje se pozitivna neto sadašnja vrijednost • interna stopa profitabilnosti veća je od diskontne stope 16 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

17. Analiza osjetljivosti • ključne varijable koje utječu na efikasnost investicijskog projekta: • investicijska ulaganja -utjecaj s obzirom na postotnu promjenu ulaganja u zemljište,bioplinskokogeneracijsko postrojenje, operativne troškove • cijena električne energije -utjecaj s obzirom na postotnu promjenu otkupne cijene električne energije • neto sadašnja vrijednost, interna stopa profitabilnosti i jednostavan period povrata investicijskih ulaganja korišteni su kao pokazatelji efikasnosti investicijskog ulaganja - analiza je provedena za period promatranja od 2 godine investiranja i 15 godina efektuiranja investicijskog projekta 17 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

18. Rezultati analize osjetljivosti (1) 18 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

19. Rezultati analize osjetljivosti (2) • neto sadašnja vrijednost - investicijski projekt je najosjetljiviji na promjenu otkupne cijene električne energije • promjena se odnosi samo na poticajnu cijenu prema Tarifnom sustavu važeću za prvih 14 godina efektuiranja (ona se korigira jednom godišnje u odnosu na porast indeksa inflacije) • interna stopa profitabilnosti i period povrata - investicijski projekt je najosjetljiviji na promjenu troškova investicijskih ulaganja • potencijalan utjecaj investitora - troškovi nabave opreme, efikasno planiranje i provedba investicijskih ulaganja 19 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

20. Rezultati analize osjetljivosti (3) 20 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

21. Ekološki aspekti korištenja bioplina dobivenog iz agro-industrijskog otpada • direktno smanjenje emisije ugljikovog dioksida (CO2) koji nastaje kao produkt izgaranja fosilnog goriva • pretpostavka da se ugljen koristi za proizvodnju električne energije i topline • korištenjem bioplina za proizvodnju ekvivalentne količine električne energije ostvaruje se godišnje smanjenje od oko 1,7 kt CO2kWh-1 • korištenjem bioplina za proizvodnju ekvivalentne količine topline ostvaruje se godišnje smanjenje od oko 1,8 kt CO2kWh-1 • indirektno smanjenje emisije matana(CH4) - smanjenje količine odloženog biorazgradivog otpada • pretpostavka da se iz jedne tone biorazgradivog otpada (67% razgradivog organskog ugljika)tijekom 20 godina emitira 0,05 tona CH4 • korištenjem 5400 t biorazgradivog otpadagodišnje ostvaruje se smanjenje od oko 0,27 ktCH4 odnosno 5,7 kt CO2-eq 21 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

22. Zaključci • sirutka i goveđa gnojovka mogu se učinkovito razgraditi uz proizvodnju bioplina u jednostupnjevitom procesu u kotlastom reaktoru • isplativost bioplinskog postrojenja ostvaruje se korištenjem poticajne cijene za otkup električne energije • pretpostavljenobioplinsko postrojenje isplativo je za period promatranja od 12 i 15 godina, u odnosu na neto sadašnju vrijednost, internu stopu profitabilnosti i period povrata investicijskog projekta • analiza osjetljivosti provedena je za period promatranja od 2 godine investiranja i 15 godina efektuiranja investicijskog projekta -investicijski projekt je najosjetljiviji na promjenu otkupne cijene električne energije u odnosu na neto sadašnju vrijednost te na promjenu troškova investicijskih ulaganja u odnosu na internu stopu profitabilnosti i period povrata • pozitivni ekološki učinci - direktno smanjenje emisije ugljikovog dioksida i indirektno smanjenje emisije metana 22 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

23. Kontakt Dr. sc. Andrea Hublin, dipl.ing. EKONERG - institut za energetiku i zaštitu okoliša Odjel za zaštitu atmosfere i klimatske promjene Vodeći konzultant Koranska 5, 10000 Zagreb tel. +385 1 6000134 fax. +385 1 6171560 e-mail: andrea.hublin@ekonerg.hr EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša