Integrated management and exploitation of agricultural residues
Authors: Αραβανή Βασιλική 
Published: August 2023

Η γεωργία είναι η μεγαλύτερη οικονομική δραστηριότητα στον κόσμο με ποικίλες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως η ατμοσφαιρική ρύπανση και η νιτρορύπανση των υπόγειων και επιφανειακών υδάτων. Η βιομάζα ως ανανεώσιμη πηγή βιοενέργειας, είναι από τους σημαντικότερους παράγοντες που συνεισφέρουν στον παγκόσμιο ενεργειακό εφοδιασμό. Η βιομάζα αναφέρεται σε όλη την ύλη που λαμβάνεται από τη φωτοσύνθεση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως ενέργεια είτε ως υλικό. Η βιομάζα του αγροτοβιομηχανικού τομέα είναι ο πιο άφθονος και ανανεώσιμος πόρος στη γη με δισεκατομμύρια τόνους να παράγονται ετησίως στον κόσμο. Ενώ οι περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες κατατάσσουν την ενεργειακή χρήση της βιομάζας ως κύρια πηγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, σε πολλές χώρες εξακολουθεί να διατίθεται ανεξέλεγκτα στο περιβάλλον ή να καίγεται απευθείας στους αγρούς. Το ίδιο συμβαίνει και στην Ελλάδα, η οποία είναι μια χώρα με έντονη αγροτική δραστηριότητα και σημαντικό ποσοστό της υπολειμματικής βιομάζας της αποτελείται από υπολείμματα καλλιεργειών και κοπριά. Στην Ελλάδα, μόνο ένα μικρό ποσοστό βιομάζας χρησιμοποιείται για την κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς η χώρα εξακολουθεί να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα ορυκτά καύσιμα. Καθώς η ΕΕ εστιάζει σε υψηλότερο επίπεδο βιωσιμότητας των λύσεων μηχανικής που σχετίζονται με τη διαχείριση αποβλήτων, η αναδυόμενη έννοια της κυκλικής οικονομίας έχει κερδίσει μεγάλη προσοχή. Η προσθήκη αξίας στα γεωργικά απόβλητα μέσω θερμοχημικών ή βιοχημικών διεργασιών είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη των εννοιών της κυκλικής οικονομίας. Η βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμες μορφές ενέργειας χρησιμοποιώντας μια σειρά από διαφορετικές διεργασίες. Υπάρχουν: α) μέθοδοι θερμοχημικής μετατροπής, β) μέθοδοι βιοχημικής μετατροπής και γ) μέθοδοι φυσικοχημικής μετατροπής. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την επιλογή της μεθόδου επεξεργασίας της βιομάζας, όπως είναι ο τύπος και η ποσότητα της πρώτης ύλης και η επιθυμητή μορφή της παραγόμενης ενέργειας. Μια διαδικασία βιολογικής μετατροπής που έχει καθιερωθεί για την απόκτηση βιώσιμων και οικονομικά προσιτών βιοκαυσίμων είναι η αναερόβια χώνευση (ΑΧ). Θεωρείται ως μια από τις καλύτερες περιβαλλοντικές και χαμηλού κόστους λύσεις για την επεξεργασία διαφορετικών βιοαποικοδομήσιμων αποβλήτων, τα οποία παράγονται λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η οργανική ύλη αποσυντίθεται από μικροοργανισμούς σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο και μετατρέπεται σε πολύτιμη ενέργεια ενώ μειώνεται ο όγκος της. Διάφορες παράμετροι μπορούν να επηρεάσουν την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας της ΑΧ, όπως η διαμόρφωση του συστήματος, το pH, η υγρασία και η θερμοκρασία. Λόγω της μεταβλητότητας των παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν την επιλογή της διαδικασίας μετατροπής της βιομάζας και της μεγάλης διασποράς των αγροτικών υπολειμμάτων, ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι να παρέχει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση διαχείρισης και αξιοποίησης των αγροτικών υπολειμμάτων για την παραγωγή ενέργειας. Η ΑΧ επιλέχθηκε ως η φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος αξιοποίησης για την παραγωγή ενέργειας για την περίπτωση της βιοαποικοδομήσιμης υπολειμματικής βιομάζας. Καθώς η Ελλάδα παράγει μεγάλη ποσότητα υπολειμματικής βιομάζας, διενεργήθηκε μια ολοκληρωμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση για τα πρωτογενή αγροτικά και κτηνοτροφικά απόβλητα που περιλαμβάνουν: (α) υπολείμματα καλλιεργειών που αφήνονται στα χωράφια, (β) ζωική κοπριά και (γ) δευτερογενή αγροτικά απόβλητα που αποτελούνται από υγρά και στερεά απόβλητα από μονάδες επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων. Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζονται οι παραγόμενες ποσότητες, τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά τους και το θεωρητικό ενεργειακό δυναμικό που θα μπορούσε να προκύψει από την αξιοποίησή τους. Στην Ελλάδα παράγονται 10 Mt/έτος αγροτικά υπολείμματα, 26 Mt/έτος ζωική κοπριά και 13.2 Mt/έτος αγροτοβιομηχανικά υπολείμματα. Από τον υπολογισμό του ενεργειακού δυναμικού της υπολειμματικής βιομάζας της Ελλάδας εκτιμήθηκε ότι το συνολικό θεωρητικό ενεργειακό περιεχόμενο μπορεί να φτάσει έως και τις 91 TWh (13 TWh από αγροτικά υπολείμματα και 78 TWh από ζωική κοπριά) που σημαίνει ότι η χώρα θα μπορούσε να καλύψει τις δικές της ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια μόνο με την αξιοποίηση αγροτικών και κτηνοτροφικών υπολειμμάτων. Η ΑΧ είναι μια πολύ γνωστή βιολογική διαδικασία που έχει διερευνηθεί εδώ και μερικές δεκαετίες. Ωστόσο, στην Ελλάδα εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη πειραματικών γνώσεων σχετικά με την αξιοποίηση τοπικά διαθέσιμων υποστρωμάτων, ιδιαίτερα στον τομέα της συν-χώνευσης. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η αξιοποίηση της άφθονης βιομάζας της Ελλάδας που προέρχεται από αγροτικά υπολείμματα. Η Ελλάδα χωρίστηκε σε βόρειο και νότιο τμήμα και έγιναν σχετικές προτάσεις για συστηματική αξιοποίηση της υπολειμματικής βιομάζας για την παραγωγή ενέργειας μέσω ΑΧ. Τα βέλτιστα μείγματα δοκιμάστηκαν σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και αφορούν τις περιόδους άνοιξη/καλοκαίρι και φθινόπωρο/χειμώνα για τις περιοχές της Βόρειας και Νότιας Ελλάδας που προέκυψαν από προηγούμενη βιβλιογραφική ανασκόπηση, πειραματικό σχεδιασμό και αναλύσεις Βιοχημικού Μεθανογόνου Δυναμικού (ΒΜΔ). Η εφαρμογή μονοβάθμιου συστήματος ΑΧ είχε ως αποτέλεσμα την επιτυχή επεξεργασία των διάφορων μειγμάτων που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη και αφορούν τη Βόρεια Ελλάδα (10% ενσίρωμα καλαμποκιού-80% κοπριά βοοειδών-10% βύνη), την περίοδο φθινοπώρου/χειμώνα της Νότιας Ελλάδας (10% ενσίρωμα καλαμποκιού-57% κοπριά βοοειδών-23% φλούδες πορτοκαλιού-10% υπολείμματα διφασικού ελαιοτριβείου) και την περίοδο άνοιξης/καλοκαιριού της Νότιας Ελλάδας (10% ενσίρωμα καλαμποκιού-14% κοπριά βοοειδών-66% ακατάλληλο προς ανθρώπινη κατανάλωση καρπούζι-10% υπολείμματα επεξεργασίας ντομάτας). Καθώς η Αξιολόγηση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) είναι μια μέθοδος ποσοτικοποίησης της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας διεργασιών ή υπηρεσιών, ηπεριβαλλοντική βιωσιμότητα διερευνήθηκε και στη παρούσα διδακτορική διατριβή από δύο περιπτωσιολογικές μελέτες ΑΚΖ που αφορούν τη διαχείριση της κοπριάς αιγοπροβάτων και των κλαδεμάτων ελιάς. Στην Ελλάδα, αυτά τα υπολείμματα παράγουν σημαντική ποσότητα αποβλήτων.Όσον αφορά την κοπριά αιγοπροβάτων, τα εναλλακτικά σενάρια είναι: η κομποστοποίησή της για να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα και η χρήση της για παραγωγή ενέργειας μέσω ΑΧ, ενώ για τα κλαδέματα ελιάς τα εναλλακτικά σενάρια είναι: η απευθείας καύση τους στους αγρούς και η χρήση τους για παραγωγή ενέργειας μέσω αεριοποίησης. Τα σενάρια αειφορικής διαχείρισης και για τις δύο περιπτώσεις αποδεικνύονται ότι έχουν θετικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, υποδεικνύοντας τη σημασία της υιοθέτησης πιο φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών για τη διαχείριση των αγροτικών υπολειμμάτων. Δεδομένου ότι στην Ελλάδα δεν υπάρχει οργανωμένη πρακτική διαχείρισης αγροτικών και ζωικών αποβλήτων και η εκμετάλλευσή τους εξακολουθεί να είναι περιορισμένη, κυρίως λόγω οικονομικών αιτιών και έλλειψης κινήτρων για την αποτελεσματική αξιοποίησή τους, στην παρούσα διατριβή γίνεται μια τεχνοοικονομική αξιολόγηση για τη φιλική προς το περιβάλλον χρήσιμη εκμετάλλευση της υπολειμματικής βιομάζας που παράγεται στους Νομούς Ηλείας και Αχαΐας (Δυτική Ελλάδα) για την παραγωγή ενέργειας από μια καινοτόμο μονάδα ΑΧ-πυρόλυσης. Όσον αφορά την ΑΧ, η πρώτη ύλη της ήταν τα υπολείμματα καλαμποκιού και η κοπριά βοοειδών, ενώ η πρώτη ύλη του εργοστασίου πυρόλυσης ήταν τα κλαδέματα ελιάς. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποδεικνύουν ότι η ανάληψη του συγκεκριμένου εγχειρήματος είναι πολύ θετική αφού ο ρυθμός επιστροφής της αρχικής επένδυσης υπολογίζεται σε 23% και ο χρόνος αποπληρωμής είναι ίσος με 4.4 έτη. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τα επενδυτικά χαρακτηριστικά της προτεινόμενης μονάδας επεξεργασίας AΧ-πυρόλυσης είναι η δυναμικότητα, η τιμή του καυσίμου, το κόστος κινήτρου και η τιμή των προϊόντων. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης αποδεικνύουν ότι η ύπαρξη μιας ολοκληρωμένης και οργανωμένης προσέγγισης για τη διαχείριση αγροτικών υπολειμμάτων έχει μεγάλη σημασία από οικονομική και περιβαλλοντική άποψη.