Καύση λιγνίτη – οργανικών στερεών αποβλήτων για την παραγωγή ενέργειας
Authors: Βασιλειάδου Αγάπη 
Published: September 2022

Η παγκόσμια οικονομική και κοινωνική πρόοδος του προηγούμενου αιώνα, οδήγησε σε περιβαλλοντική υποβάθμιση η οποία έθεσε σε κίνδυνο τους ίδιους τους πόρους από τους οποίους εξαρτάται η μελλοντική ανάπτυξη και η επιβίωση του ανθρώπου στον πλανήτη. Η βιώσιμη ανάπτυξη (κατανάλωση και παραγωγή) εκτός της βέλτιστης παραγωγής με την ελάχιστη κατανάλωση, αφορά στην αποσύνδεση της οικονομικής ανάπτυξης από την υποβάθμιση του περιβάλλοντος, την αύξηση της αποδοτικότητας των πόρων και την προώθηση ενός πιο βιώσιμου τρόπου ζωής. Έως σήμερα, η παραγωγή ενέργειας στην Ελλάδα, αλλά και σε πολλές χώρες της Ευρώπης, βασιζόταν κυρίως στην καύση του άνθρακα. Διάφορες συζητήσεις έχουν πραγματοποιηθεί σχετικά με την επιλογή του καυσίμου μετάβασης της μεταλιγνιτικής εποχής, με το φυσικό αέριο να κυριαρχεί. Ο ενεργειακός τομέας της χώρας επηρεάζεται δυσμενώς από την τιμή των καυσίμων όπως φυσικό αέριο και πετρέλαιο, η οποία μεταβάλλεται σύμφωνα με τις εκάστοτε κοινωνικοπολιτικές συγκυρίες. Για την ενεργειακή αυτονομία της χώρας (πχ. οικονομική ανάπτυξη, περίπτωση πολέμου), αποτελεί άμεση επιτακτική ανάγκη η εύρεση εναλλακτικών καυσίμων. Τα καύσιμα βιομάζας θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια εναλλακτική επιλογή. Ως εκ τούτων, ο συστηματικός και πολυπαραμετρικός χαρακτηρισμός (λαμβάνοντας υπόψη τόσο τα χαρακτηριστικά καύσης, όσο τις εκπομπές και την τέφρα) και η αντικειμενική κατηγοριοποίηση διαφόρων στερεών οργανικών αποβλήτων ή/και σύνθετων καυσίμων (μιγμάτων) τους με λιγνίτη, αποτελεί αντικείμενο μείζονος ενδιαφέροντος. Τα καύσιμα βιομάζας προέρχονται από πληθώρα διαφόρων πηγών (α’ υλών), διαθέτουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο, παράγουν λιγότερες εκπομπές από άλλα συμβατικά καύσιμα και κυρίως αποτελούν καύσιμα με ουδέτερο αποτύπωμα άνθρακα (carbon neutral). Τα οργανικά στερεά απόβλητα (πχ. αγροτικά υπολείμματα, αστικά στερεά απόβλητα, κ.α.) αποτελούν τύπο βιομάζας. Η καύση οργανικών στερεών αποβλήτων αλλά και η συν-καύση των οργανικών στερεών αποβλήτων με λιγνίτη (μικτά / σύνθετα καύσιμα), στις συμβατικές ατμοηλεκτρικές εγκαταστάσεις, ίσως αποτελεί λύση τόσο για την ομαλότερη μετάβαση στη μεταλιγνιτική εποχή όσο και γενικότερα στην αυτονομία της χώρας.Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν δείγματα από διάφορες κατηγορίες οργανικών στερεών αποβλήτων: αστικά στερεά απόβλητα, ΑΣΑ (απόβλητα τροφίμων, πράσινα απόβλητα, οργανικά απόβλητα και απόβλητα χαρτιού/χαρτονιού), βιοαποδομήσιμα (κομπόστ των αστικών στερεών απορριμμάτων κάθε εποχής του έτους), αγροτικά απόβλητα (άχυρο κριθαριού, κέλυφος αμυγδάλου και καρυδιού, απόβλητα ηλίανθου όπως φλούδα, κορμός, πιάτο κλπ., απόβλητα αραβοσίτου όπως φύλλα, μίσχος κλπ.) και βιομηχανικά στερεά απόβλητα (εξαντλημένοι σπόροι κριθαριού ζυθοποιίας, ελαιοπυρήνας και πυρηνόξυλο ελαιοτριβείου, στέμφυλά και βόστρυχες στεμφύλων οινοποιείου) καθώς και τέσσερα δείγματα εγχώριου λιγνίτη (Άγιος Δημήτριος, Καρδιάς και Άγιος Δημήτριος, Μελίτης και Αμυνταίου). Κάθε οργανικό απόβλητο εξετάστηκε/αναλύθηκε ως αυτόνομο καύσιμο αλλά και ως βοηθητικό, σε μίξη με τον εγχώριο λιγνίτη, σε διαφορετικές %κ.β. αναλογίες (30 %κ.β., 50 %κ.β. και 70%κ.β.). Συνολικά αναλύθηκαν πειραματικά 94 δείγματα και μίγματα οργανικών στερεών αποβλήτων με λιγνίτη (24 δείγματα αποβλήτων/υπολειμμάτων βιομάζας, 4 δείγματα εγχώριου λιγνίτη και 66 μίγματα αποβλήτων με λιγνίτη σε διάφορες %κ.β. αναλογίες), ως προς τα χαρακτηριστικά καύσης και ως προς τα χαρακτηριστικά συν-καύσης αυτών με τον εγχώριο λιγνίτη, κάνοντας χρήση πολλαπλών αναλυτικών μεθόδων όπως προσδιορισμός θερμογόνου δύναμης, προσεγγιστική ανάλυση, στοιχειακή ανάλυση, θερμοσταθμική ανάλυση, ιοντική χρωματογραφία (προσδιορισμός θειικών ιόντων και ιόντων χλωρίου), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης – φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς (προσδιορισμός κύριων στοιχείων τέφρας) και πολλαπλών υπολογιστικών μεθόδων όπως κινητική μοντελοποίηση (προσδιορισμός ενέργειας ενεργοποίησης και προ-εκθετικού παράγοντα), θερμοδυναμική ανάλυση (προσδιορισμός μεταβολής ενθαλπίας, ελεύθερης ενέργειας Gibbs και μεταβολής εντροπίας). Υπολογίστηκαν οι μέγιστες θεωρητικές εκπομπές CO2, NO και SO2 ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας και οι εμπειρικοί χημικοί τύπου των δειγμάτων/μιγμάτων και πραγματοποιήθηκε η μοντελοποίηση των εκπομπών που παράγονται από την καύση των δειγμάτων/μιγμάτων (COx, και NOx) κάνοντας χρήση του λογισμικού ANSYS Chemkin Pro. Επίσης, με βάση αντιδράσεις δέσμευσης του θείου, πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση των εκπομπών SO2, για την αξιολόγηση της ύπαρξης ενδεχόμενου φαινομένου φυσικής αποθείωσης στα καθαρά καύσιμα βιομάζας και στα μίγματα αυτών με λιγνίτη. Με βάση αυτήν την μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε διόρθωση των μέγιστων θεωρητικών εκπομπών SO2. Επιπλέον, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν νέα καινοτόμα εργαλεία ποιότητας στερεών καυσίμων (δείκτες ποιότητας στερεών καυσίμων, δείκτες ποιότητας τέφρας καυσίμων και το εργαλείο ετικέτα ποιότητας καυσίμου). Αυτά τα εργαλεία αναπτύχθηκαν λαμβάνοντας υπόψη συνδυασμό πολλαπλών παραμέτρων, έτσι ώστε να καταστεί ικανή η αντικειμενική και ευκολότερη αξιολόγηση εναλλακτικών στερεών καυσίμων, των οποίων έως σήμερα, δεν έχουν δηλωθεί συγκεκριμένες προδιαγραφές ποιότητας με σκοπό την ταξινόμηση και διάθεση αυτών στην αγορά ενέργειας. Όπως π.χ. για τη βενζίνη υπάρχουν αντικειμενικές προδιαγραφές με βάση των αριθμό οκτανίων, είναι αυτονόητο ότι στο προσεχές μέλλον και λόγω της ολοένα αυξανόμενης χρήσης της βιομάζας, θα υπάρξει απαίτηση για τον καθορισμό και αξιολόγηση των προδιαγραφών των διαφόρων τύπων βιομάζας (πχ. αστικά στερεά απόβλητα, αγροτικά υπολείμματα βιομάζας, μικτά/σύνθετα στερεά καύσιμα κλπ.) ως καύσιμα. Τα αναπτυχθέντα στην παρούσα διατριβή εργαλεία αποτελούν ένα πρώτο ουσιαστικό βήμα προς αυτήν την κατεύθυνση. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι ελάχιστοι υφιστάμενοι δείκτες ποιότητας στερεών καυσίμου οι οποίοι υπάρχουν στη βιβλιογραφία και αναπτύχθηκε ένας συνολικός καινοτόμος δείκτης ποιότητας καυσίμου (Fuel Quality Index, FQI) λαμβάνοντας υπόψη βασικούς παραμέτρους (όπως θερμογόνος δύναμη, τέφρα, υγρασία, χλώριο κλπ.) και διάφορες νέες καινοτόμες ιδέες οι οποίες προτείνονται μέσω της διατριβής αυτής: i) Επιλέχθηκαν νέες καινοτόμες βέλτιστες και μέγιστες τιμές των παραμέτρων (σε σχέση με τις παραμέτρους των FQΙ που υπάρχουν στη βιβλιογραφία), ii) Όλοι οι παράμετροι, εκτός από την ενέργεια ενεργοποίησης και τη θερμογόνο δύναμη, εκφράστηκαν ανά μονάδα παραγόμενου MJ (λαμβάνοντας υπόψη τα πειραματικά αποτελέσματα της ανώτερης θερμογόνου δύναμης), iii) Ο άνθρακας (C), το άζωτο (N) και το θείο (S) εκφράσθηκαν ως περιβαλλοντικές εκπομπές (gCO2/MJ, gΝO/MJ, και gSO2/MJ), iv) Ο λόγος 1/GCV επιλέχτηκε ως παράμετρος έναντι της GCV, για λόγους συμβατότητας με όλες οι υπόλοιπες παραμέτρους, v) Επιλέχθηκε, η ενέργεια ενεργοποίησης του καυσίμου ως επιπλέον παράγοντας ποιότητας καυσίμου (λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της θερμοσταθμικής μεθόδου και τα αποτελέσματα της κινητικής μοντελοποίησης). Επιπλέον, μελετήθηκαν οι υφιστάμενοι δείκτες ποιότητας (τεφρών) στερεών καυσίμων (Bed agglomeration index, Rs index, Fouling index, Slag viscosity index κλπ.) και υπολογίσθηκαν για όλα τα αναλυθέντα δείγματα ενώ παράλληλα αναπτύχθηκαν νέοι καινοτόμοι τροποποιημένοι δείκτες ποιότητας τεφρών έχοντας ως αναφορά τους υφιστάμενους δείκτες, όπου εκτός από τη χημική ανάλυση των τεφρών των καυσίμων, συμπεριλήφθηκαν επιπλέον παράμετροι: η περιεκτικότητα της τέφρας και η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου. Έπειτα, λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω τροποποιημένους δείκτες, αναπτύχθηκε ο συνολικός δείκτης ποιότητας τεφρών των καυσίμων (total Ash Quality Index-tAQI). Επιπλέον, αναπτύχθηκε δείκτης περιβαλλοντικού αποτυπώματος ως προς την παραγωγή στερεών αποβλήτων (τέφρας) από την καύση των καυσίμων. Έχοντας τα νέα καινοτόμα εργαλεία FQI (του καυσίμου) και tAQI (της τέφρας) πραγματοποιήθηκε η δημιουργία του εργαλείου σήμανσης ‘Ετικέτα’ ποιότητας στερεών καυσίμων για κάθε βιοκαύσιμο αποβλήτων/υπολειμμάτων βιομάζας τα οποία μελετήθηκαν και για κάθε σύνθετο καύσιμο βιομάζας-λιγνίτη. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν διάφορες μελέτες περίπτωσης σχετικά με την πιθανή κάλυψη της ζήτησης ενέργειας (παραγωγή ενέργειας) στην Ελλάδα, στην Ευρώπη και παγκοσμίως, χρησιμοποιώντας ως βιοκαύσιμο τα οργανικά στερεά απόβλητα, τα οποία αναλύθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Μερικά από τα βασικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν ότι το ενεργειακό περιεχόμενο των αναλυθέντων οργανικών στερεών αποβλήτων βρέθηκε να είναι πολύ υψηλότερο από το αντίστοιχο του λιγνίτη, με τα καύσιμα των αποβλήτων να εμφανίζουν σχεδόν διπλάσια περιεκτικότητα πτητικών υλών, χαμηλότερη περιεκτικότητα σε τέφρα, μεγαλύτερη συνολική απώλεια βάρους, υψηλότερους ρυθμούς αντίδρασης, υψηλότερες τιμές της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και στις περισσότερες περιπτώσεις χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Η αύξηση της αναλογίας της βιομάζας στα μίγματα με λιγνίτη βελτίωσε τις ιδιότητες των σύνθετων καυσίμων (συγκριτικά με τις ιδιότητες του λιγνίτη). Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε άζωτο βρέθηκε να καλύπτει ένα μεγάλο εύρος τιμών με κάποια απόβλητα να παρουσιάζουν μειωμένες τιμές σε σχέση με αυτές του λιγνίτη ενώ κάποια άλλα παρουσίασαν αυξημένες τιμές. Η περιεκτικότητα ιόντων χλωρίου των αποβλήτων σε κάποια δείγματα βρέθηκε να είναι παρόμοια με αυτή του λιγνίτη και σε κάποια αρκετά μεγαλύτερη. Στα περισσότερα δείγματα τα κύρια στοιχεία των τεφρών τα οποία προέκυψαν από την καύση των δειγμάτων ήταν το ασβέστιο (Ca), το πυρίτιο (Si), το κάλιο (K), το Μαγνήσιο (Mg), ο φώσφορος (P) και το νάτριο (Na) ενώ τα κύρια στοιχεία της τέφρας του λιγνίτη ήταν το Si, το Ca, το Mg και το K. Από τη μοντελοποίηση των εκπομπών της καύσης των βιοκαυσίμων και των σύνθετων καυσίμων (λιγνίτη με οργανικά απόβλητα) προέκυψε ότι περίπου το 99.8% των εκπομπών των ειδών που περιέχουν C αφορούσαν εκπομπές CO2 και πάνω από το 79% των εκπεμπόμενων ειδών που περιέχουν Ν αφορούσαν εκπομπές ΝΟ. Από τη μοντελοποίηση προέκυψε επίσης ότι το 99.9% των μέγιστων θεωρητικών εκπομπών CO2/MJ εκπέμπεται, ενώ μόνο το 5 έως 26% των μέγιστων εκπομπών ΝΟ/ΜJ εκπέμπεται. Η μοντελοποίηση των εκπομπών SOx της καύσης των δειγμάτων/μιγμάτων, πραγματοποιήθηκε λαμβάνοντας υπόψη φαινόμενα συνέργειας (δέσμευση του S στην τέφρα από το διαθέσιμο Ca και Mg που υπάρχει στο καύσιμο) έδειξε ότι η αυξημένη περιεκτικότητα σε θείο δεν μεταφράζεται απαραίτητα σε αυξημένες εκπομπές SΟx. Επαλήθευση των εκπομπών ΝΟx πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα του ΑΗΣ Αγίου Δημητρίου, του έτους 2018, καταλήγοντας ότι μόλις το 1.98% των μέγιστων εκπομπών ΝO2 εκπέμφθηκαντο έτος μελέτης. Σε πολλά απόβλητα, μέσω της μοντελοποίησης, διαπιστώθηκε ότι αυτά παρουσιάζουν ελαττωμένες εκπομπές SOx σε σχέση με τις μέγιστες δυνατές. Επαλήθευση της δέσμευσης του θείου στην τέφρα πραγματοποιήθηκε λαμβάνοντας υπόψη πραγματικά δεδομένα της ετήσιας έκθεσης του ΑΗΣ Αγίου Δημητρίου, έτους 2018, όπου υπολογίστηκαν οι μέγιστες θεωρητικές εκπομπές SO2 και συγκρίθηκαν με τις πραγματικές εκπομπές SO2 του σταθμού καταλήγοντας ότι μόλις το 4.17% των μέγιστων θεωρητικών εκπομπών SO2 είχαν προκύψει ως εκπομπές, καθώς πραγματοποιούνταν φυσική αποθείωση (δέσμευση του S) από το Ca και Mg το οποίο υπάρχει στον εγχώριο λιγνίτη, με αποτέλεσμα τις αμελητέες εκπομπές θείου, κατά το έτος μελέτης. Τα περισσότερα βιοκαύσιμα αλλά και τα περισσότερα σύνθετα καύσιμα (λιγνίτη – βιομάζας) εμφάνισαν πολύ μικρότερη τιμή στο δείκτη περιβαλλοντικού αποτυπώματος (ως προς την παραγωγή στερεών αποβλήτων) από την αντίστοιχη τιμή του λιγνίτη. Στα μικτά καύσιμα, η αύξηση της αναλογίας του αποβλήτου στο μίγμα, οδήγησε σε μείωση της τιμής του δείκτη περιβαλλοντικού αποτυπώματος και αύξηση του δείκτη απόδοσης της καύσης σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές του εγχώριου λιγνίτη. Εντονότερα φαινόμενα συνέργειας σχετικά με την κινητική της συν-καύσης, στο στάδιο μετά την αφαίρεση της υγρασίας, αλλά και πριν την περάτωση της συν-καύσης, εμφανίστηκαν στα μίγματα των κατηγοριών των αγροτικών αποβλήτων και των βιομηχανικών στερεών αποβλήτων. Από τις Μελέτες Περίπτωσης (case studies) κάλυψης της ζήτησης της ενέργειας (παραγωγή ενέργειας) από την καύση των αναλυθέντων αποβλήτων (υπολειμμάτων βιομάζας) προέκυψε ότι μεγάλο μέρος της ζήτησης της ενέργειας μπορεί να καλυφθεί με την καύση των δειγμάτων της κατηγορίας αγροτικών αποβλήτων ενώ από την καύση των βιομηχανικών στερεών αποβλήτων μπορούν να καλυφθούν ελάχιστες απαιτήσεις ενέργειας (πχ. κάλυψη τοπικών ενεργειακών απαιτήσεων βιομηχανίας) τόσο βραχυπρόθεσμα αλλά και μακροπρόθεσμα (λαμβάνοντας υπόψη προβλέψεις για τις μελλοντικές ενεργειακές απαιτήσεις, για τη μελλοντική παραγωγή αποβλήτων κλπ.). Η συγκεκριμένη διατριβή δίνει απαντήσεις σε ζητήματα που αφορούν διάφορα ποιοτικά και περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά μιας πολύ μεγάλης γκάμας αποβλήτων βιομάζας για δυνητική χρήση ως καύσιμα είτε αυτοτελώς είτε σε μίγματα με λιγνίτη στο πλαίσιο μιας ομαλότερης και πιο σταδιακής μετάβασης στη μεταλιγνιτική εποχή και γενικότερα για την ανεξαρτησία και την ενεργειακή αυτονομία κάθε χώρας. Επίσης, στη παρούσα διατριβή όχι μόνο αξιολογήθηκε η δυνατότητα χρήσης του κομπόστ των αστικών στερεών αποβλήτων ως καύσιμο, καθώς λόγω άλλων δυνητικών χρήσεων (πχ. λίπασμα) η μελέτη αυτού ως καύσιμο στη βιβλιογραφία είναι εξαιρετικά περιορισμένη, αλλά επίσης εξετάστηκε η εποχιακή μεταβολή των ποιοτικών χαρακτηριστικών του. Η προσεκτική επιλογή και μίξη αποβλήτων βιομάζας ή/και λιγνίτη μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία νέων μικτών / σύνθετων καυσίμων (πχ. βιομάζας-λιγνίτη, βιομάζας-βιομάζας με ή χωρίς πρόσθετα κλπ.) με συγκεκριμένα (επιθυμητά) ποιοτικά χαρακτηριστικά. Τα στερεά βιοκαύσιμα θεωρούνται ότι μπορούν να καλύψουν σημαντικό μέρος της απαιτούμενης ενέργειας για την ενεργειακή αυτονομία της χώρας. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν διάφορες μελέτες περίπτωσης σχετικά με την πιθανότητα κάλυψης της ενεργειακής ζήτησης (παραγωγή ενέργειας από υπολείμματα βιομάζας) λαμβάνοντας υπόψη πολλαπλές παραμέτρους (παραγωγή αποβλήτων βιομάζας, ποσοστό χρησιμοποίησης των αποβλήτων αυτών, παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας, μελλοντικές προβλέψεις, αποτελέσματα της παρούσας διατριβής κλπ.) καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι κάποια από τα απόβλητα βιομάζας μπορούν να καλύψουν σημαντικό μέρος της ενέργειας και κάποια άλλα μπορούν να καλύψουν μικρό μέρος της ζήτησης της ενέργειας (κάλυψη τοπικών αναγκών). Το εργαλείο δείκτης ποιότητας καυσίμου FQI το οποίο αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή αποτελεί ένα χρήσιμο καινοτόμο εργαλείο αξιολόγησης στερεών καυσίμων όπου λαμβάνει υπόψη πολλαπλούς παραμέτρους οι οποίοι δεν λαμβάνονταν υπόψη στους υφιστάμενους δείκτες που υπήρχαν στη βιβλιογραφία. Οι νέοι τροποποιημένοι καινοτόμοι δείκτες τέφρας και ο συνολικός δείκτης ποιότητας τέφρας (tAQI) μπορούν να βοηθήσουν στο χαρακτηρισμό ενός καυσίμου σχετικά με τη μακροπρόθεσμη τάση για σκωρία ενώ οι έως σήμερα αναπτυγμένοι δείκτες ποιότητας τέφρας αφορούσαν τη στιγμιαία τάση για σκωρία. Η εφαρμογή / χρήση του προτεινόμενου εργαλείου ‘Ετικέτα ποιότητας στερεού καυσίμου’ (FQL), το οποίο δεν υπάρχει στη σημερινή αγορά, μπορεί να δώσει λύση στο πρόβλημα της αξιολόγησης και κατάταξης των νέων εναλλακτικών στερεών καυσίμων (αποβλήτων / υπολειμμάτων βιομάζας, σύνθετων/μικτών καυσίμων, κλπ.), έτσι ώστε να καύσιμα αυτά να διαθέτουν ‘ταυτότητα’ ποιότητας, να γίνουν πιο εύκολα αποδεκτά από τους καταναλωτές και να μπορούν να διακινηθούν στην αγορά ως καύσιμα συγκεκριμένων ποιοτικών προδιαγραφών.