Energy and exergy analysis of combined heat and power systems - wastewater treatment in dairy industries for energy production
Authors: Χατζηπασχάλη Ασπασία 
Published: August 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες, υπάρχει έντονο ενδιαφέρον στις εναλλακτικές μορφές ενέργειας, ως αποτέλεσμα των αυξημένων ενεργειακών απαιτήσεων σε συνδυασμό και με το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής. Επιπρόσθετα, η συνεχής αύξηση του πληθυσμού και η εκβιομηχάνιση των κοινωνιών οδηγούν συχνά στην υποβάθμιση των οικοσυστημάτων, στα οποία στηρίζεται η ανθρώπινη ζωή. Για το λόγο αυτό, στη σύγχρονη βιομηχανική κοινωνία είναι αδήριτη η ανάγκη για την κατάλληλη επεξεργασία των διαφόρων αποβλήτων που προέρχονται από τις βιομηχανίες πριν την απόρριψή τους, προκειμένου να προληφθεί η ρύπανση του εδάφους και των υδάτινων συστημάτων (λιμνών, ποταμών, θάλασσας, υπόγειων υδροφόρων). Το τυρόγαλο που προέρχεται από τις βιομηχανίες γάλακτος κατά την διαδικασία παραγωγής τυριού είναι ένας από τους σημαντικότερους βιομηχανικούς ρυπαντές που από τη φύση του περιέχει υψηλό οργανικό φορτίο (COD). Συγχρόνως όμως, το τυρόγαλο αποτελεί την πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαερίου. Η παραγωγή βιοαερίου και άλλων εμπορεύσιμων προϊόντων με ταυτόχρονη μείωση του COD μέσω κατάλληλων μεθόδων, αποδεικνύουν ότι το τυρόγαλο είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας και όχι ένας απλός ρυπαντής. Η παρουσία βιοαποικοδομήσιμων συστατικών στο τυρόγαλο σε συνδυασμό και με τα πλεονεκτήματα της διεργασίας της Αναερόβιας Χώνευσης συγκριτικά με άλλες μεθόδους, καθιστούν την μέθοδο αυτή ως ιδιαίτερα κατάλληλη για την επεξεργασία των αποβλήτων αυτών.Στην παρούσα διατριβή μελετάται η τεχνολογία της αναερόβιας χώνευσης για την επεξεργασία των αποβλήτων τυρόγαλου σε συνδυασμό με την χρήση μικροστροβίλων για την παραγωγή ενέργειας. Η επιλογή της χρήσης μικροστροβίλων έναντι άλλων συστημάτων οφείλεται στα πλεονεκτήματα τους που τους καθιστούν ικανούς να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, «smart grids», υβριδικά συστήματα και συστήματα συμπαραγωγής. Αρχικά παρουσιάζεται μία ανασκόπηση των πιο αντιπροσωπευτικών εφαρμογών αναερόβιας χώνευσης για επεξεργασία αποβλήτων τυρόγαλου τόσο σε πιλοτική όσο και σε εργαστηριακή κλίμακα. Επιπρόσθετα, γίνεται μία προσπάθεια αναγωγής των αποτελεσμάτων των διαφόρων ερευνών σε μια κοινή συγκριτική βάση, προκειμένου να αποτυπωθεί η κατάσταση της τεχνολογίας σε αντίστοιχα γραφήματα. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται ένα μοντέλο προσομοίωσης του συστήματος αναερόβιας χώνευσης σε συνδυασμό με έναν μικροστρόβιλο και εξετάζονται δύο διαφορετικά σενάρια. Στο πρώτο σενάριο μελετάται η ενσωμάτωση ενός εμπορικά διαθέσιμου μικροστροβίλου στο σύστημα αναερόβιας χώνευσης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με καύση μόνο ενός μέρους του παραγόμενου βιοαερίου στον μικροστρόβιλο, ενώ το υπόλοιπο καίγεται στον καυστήρα για παραγωγή ατμού. Στην περίπτωση αυτή, η επιλογή του καταλληλότερου μικροστροβίλου έγινε με σκοπό να επιτευχθεί η μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων (παραγωγή ατμού) της μονάδας. Στο δεύτερο σενάριο μελετάται η περίπτωση μέγιστης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μικροστροβίλου, χωρίς κανένα περιορισμό όσον αφορά την παραγωγή σε ατμό. Τα δεδομένα για την μοντελοποίηση του συστήματος αναερόβια χώνευσης προέρχονται από ένα εργοστάσιο παραγωγής τυριών που λειτουργεί στην Ελλάδα, ενώ τα δεδομένα για τους μικροστροβίλους έχουν ληφθεί από τους αντίστοιχους κατασκευαστές τους. Ως εκ τούτου, προέκυψαν δύο διαφορετικά συστήματα τα οποία αναλύονται και εκτιμώνται σε σχέση με τα διαθέσιμα στοιχεία στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια διεξάγεται εξεργειακή ανάλυση των συστημάτων αυτών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συστήματα αυτά μπορεί να επιτύχουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης, παρά την εμφάνιση υψηλών τιμών καταστροφών εξέργειας και αναστρεψιμοτήτων, κυρίως στον καυστήρα για το πρώτο σενάριο και στον θάλαμο καύσης του μικροστροβίλου για το δεύτερο σενάριο. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε οικονομική ανάλυση μέσω της μεθόδους Καθαρής Παρούσας Αξίας (ΚΠΑ). Τα αποτελέσματα δείχνουν πως πρόκειται για κερδοφόρες επενδύσεις, με υψηλά κέρδη από τον πρώτο χρόνο λειτουργίας. Επιπλέον, διεξήχθη παραμετρική ανάλυση ως μέθοδος βελτιστοποίησης. Στην περίπτωση αυτή, εξετάσθηκε η επίδραση ορισμένων σημαντικών παραμέτρων λειτουργίας όπως ο ισεντροπικός βαθμός απόδοσης του στροβίλου και του συμπιεστή και η επίδραση διαφόρων θερμοκρασιών κυρίως στη συνολική εξεργειακή απόδοση των συστημάτων και στη τιμή της ΚΠΑ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συστήματα αυτά μπορούν να επιτύχουν υψηλές αποδόσεις και τιμές ΚΠΑ με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων σχεδίασης.