title: Τεχνοοικονομική αξιολόγηση τεχνολογιών ενεργειακής αξιοποίησης βιοαερίου στο ΧΥΤΑ Πέρα Γαλήνων Ηρακλείου Κρήτης
title: Technoeconomic evaluation of landfill gas to energy technologies at the landfill site of Pera Galini in Heraklion, Crete
Creators: name: Τσαφαντακης Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: Το βιοαέριο θεωρείται πολύτιμη πηγή ανανεώσιμης ενέργειας. Η ποιότητα και ο ρυθμός παραγωγής του συνιστούν καθοριστικούς παράγοντες για την επιλογή της βέλτιστης τεχνολογίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ταυτόχρονα όμως, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η περιβαλλοντική νομοθεσία, σχετικά με την εκπομπή καυσαερίων, το αποτύπωμα άνθρακα και την ωριμότητα της εκάστοτε τεχνολογίας. Η πιο κοινή και ευρέως διαδεδομένη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από βιοαέριο είναι η χρήση της Μηχανής Εσωτερικής Καύσης, η οποία μπορεί να λειτουργήσει εάν η συγκέντρωση του μεθανίου είναι περίπου πάνω από 40%. Από την άλλη πλευρά, μία καινοτόμος τεχνολογία, ο καταλυτικός Gradual Oxidizer (τεχνολογία που προσφέρεται από πολύ μικρό αριθμό κατασκευαστών), ο οποίος βασίζεται στη διαδικασία σταδιακής οξείδωσης του εισερχόμενου αερίου καυσίμου, μπορεί να λειτουργήσει σε χαμηλή συγκέντρωση μεθανίου έως και 1,5%.
Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει, με την χρήση μοντέλων προσομοιωσης, την τεχνοοικονομική εφαρμογή των παραπάνω ενεργειακών τεχνολογιών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιοαέριο στο ΧΥΤΑ Πέρα Γαλήνων, Ηρακλείου Κρήτης. Ο ΧΥΤΑ αποτελείται από 4 κύρια τμήματα, δύο παλιά και δύο νέα. Το 1ο τμήμα (ΧΑΔΑ Α’) άρχισε να λειτουργεί το 1992 και έκλεισε το 1997. Η διάθεση απορριμμάτων στο 2ο τμήμα (ΧΑΔΑ Β’) ξεκίνησε το 1998 και έκλεισε το 2008. Το 3ο τμήμα (κύτταρο Α’ του ΧΥΤΑ), είναι υπερκείμενο του ΧΑΔΑ Β’ και δέχθηκε τις αποθέσεις από το 2009 έως και το 2012 και το 4ο τμήμα (κύτταρο Β’ του ΧΥΤΑ) είναι υπερκείμενο τμήμα του ΧΑΔΑ Α’ και υποδέχθηκε απορρίμματα από το 2012 έως τις αρχές του 2016. Ήδη από το καλοκαίρι του 2016 έχει κατασκευαστεί το κύτταρο Γ’, το οποίο δέχεται τις ποσότητες των απορριμμάτων από τα τέλη του 2016.
Αναφορικά, λοιπόν, με τα μοντέλα προσομοίωσης, η συγκεκριμένη μελέτη συνυπολογίζει το ρυθμό παραγωγής μεθανίου και την μακροπρόθεσμη συγκέντρωση του κλάσματος του βιοαερίου, μοντελοποίηση της οποίας πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του υπολογιστικού μοντέλου LandGEM (εισάγοντας τις διαθεέσιμες ποσότητες ΑΣΑ ανά τμήμα του ΧΥΤΑ και των παραμέτρων L0 δυναμικού παραγωγής του βιοαερίου και της σταθεράς k της κινητικής παραγωγής του), που τροποποιήθηκε κατάλληλα για να λαμβάνει υπόψη τη μείωση του μεθανίου με το χρόνο, κυρίως λόγω της εισχώρησης αέρα στο σώμα του ΧΥΤΑ. Με την εκτίμηση, λοιπόν, της ανακτώμενης ποσότητας του μεθανίου στο κλάσμα του βιοαερίου, πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί της ηλεκτρικής απόδοσης του βιοαερίου, και σε συνάρτηση με τα κόστη (εξοπλισμού, λειτουργίας, συντήρησης και αποκατάστασης), την ετήσια λειτουργική διαθεσιμότητα και τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ της εκάστοτε εξεταζόμενης τεχνολογίας, τον κύκλο εργασιών και το σύνολο της αρχικής επένδυσης, προέκυε ο χρόνος απόσβεσης και οι οικονομικοί δείκτες (ΚΠΑ και Εσωτερικός Συντελεστής Απόδοσης) για τα παρακάτω εξεταζόμενα σενάρια.
Καθώς ο χώρος υγειονομικής ταφής αποτελείται από κύτταρα και τμήματα απόρριψης αποβλήτων που έχουν κλείσει σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, τόσο η ποσότητα όσο και η ποιότητα του βιοαερίου πρέπει να αξιολογούνται για τον προσδιορισμό της βέλτιστης τεχνολογίας για ηλεκτροπαραγωγή. Εξετάσθηκαν 5 διαφορετικά σενάρια ενεργειακής αξιοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου, για τους ΧΑΔΑ Ά και Β’ και για τα κύτταρα Α’, Β’ και Γ’, με τους παρακάτω συνδυασμούς, αναζητώντας την προσφορότερη οικονομική και ενεργειακή απόδοση. Σενάρια 1 & 2: Χρήση 3 και 2 Μηχανών Εσωτερικής Καύσης, αντιστοίχως, 500 kW έκαστη, για τους ΧΑΔΑ Α’ & Β’ και τα Κύτταρα Α’, Β’ & Γ’ (Σύνολο ΧΥΤΑ). Σενάρια 3 & 4: Χρήση 4 και 3 Gradual Oxidizers, αντιστοίχως, 250 kW έκαστος, για το σύνολο του ανακτώμενου βιοαερίου από τον ΧΥΤΑ και 5. Συνδυαστικό Σενάριο: Χρήση 1 Gradual Oxidizer για τους ΧΑΔΑ Α’ & Β’ και 2 ΜΕΚ για τα Κύτταρα Α’, Β’ & Γ’. Η μοντελοποίηση έδειξε ότι η χρήση τριών μηχανών εσωτερικής καύσης, χωρητικότητας 500kW η καθεμία, αποδίδει την υψηλότερη Καθαρή Παρούσα Αξία ΚΠΑ =4,16 εκ.€ και Εσωτερικό Συντελεστή Απόδοσης IRR =19% , ακολουθούμενη από το συνδυαστικό σενάριο με τη χρήση 1 Gradual Oxidizer και 2 Μηχανών Εσωτερικής Καύσης, με οικονομικούς δείκτες: ΚΠΑ =4,06 εκ.€ και IRR =19%.
Για καλύτερη αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της μοντελοποίησης, απαιτείται να γίνουν μετρήσεις στο πεδίο σε σχέση με την ποσότητα και ποιότητα του παραγόμενου βιοαερίου, από τη στιγμή που όλα τα αποτελέσματα της εργασίας στηρίζονται στην εφαρμογή των υπολογιστικών μοντέλων. Με αυτό τον τρόπο, μπορούν να εξαχθούν ασφαλέστερα συμπεράσματα μετά από επαλήθευση και ρύθμιση των μοντέλων με τις εν λόγω μετρήσεις.
description: Landfill Gas (Biogas) is considered as a valuable source of renewable energy. Its quality and production rate are demined factors for the selection of the optimal technology for electric energy production. In addition, environmental legislation, flue gas emissions, carbon footprint and maturity of technology should also be considered. The most common and widespread process for electric energy production from biogas is the use of Internal Combustion Engines (ICE), which can operate if the methane (CH4) concentration is approximately above 40%. On the other hand, a novel technology, determining Gradual Oxidizer (GO), based on the process of gradual oxidation of the incoming gas fuel, can operate at methane concentration as low as 1,5%( technology with small commercial availability).
The present dissertation examines, through certain simulation models, the techno-economical applicability of the above mentioned power technologies for electricity production from biogas at the landfill of Pera Galines in Heraklion of Crete. The landfill consists of 4 main sections, two old and two new ones. The first division (dump site A’) started operating in 1992 and was closed in 1997. The disposal of waste in the 2nd section (dump site B') started in 1998 and was closed in 2008. The 3rd section (cell A’ of the landfill) is supernatant of dump site B 'and received the deposits from 2009 until 2012 and the 4th section (cell B’ of the landfill) is an overhead part of the dump site A' and has received waste from 2012 until the beginning of 2016. In the summer of 2016, cell C' has been built, which has been receiving the quantities of waste from the end of 2016 until today.
Moreover, concerning the simulation models, this particular study takes into account not only the methane production rate, but also the long term methane concentration in landfill gas, and its modeling was carried out using the LandGEM computational model (introducing the available quantities of MSW by part of the landfill and the parameters L0 of the biogas production potential and the k kinetic biogas production constant), which has been appropriately modified to consider the reduction of methane over time, mainly due to the intrusion of air iside the landfill body. By estimating the amount of methane recovered in the biogas fraction, calculations of the electrical efficiency of biogas were carried out and, depending on the costs (capital, O&M and replacement costs), the annual operational availability and the total installed power of the considering technology, its turnover and the total initial investment, the payback period and the economic results (NPV and IRR) of the following scenarios were obtained.
As the landfill site consists of cells and waste disposal segments (dump sites), which have closed during different times, both the quantity and the quality of landfill gas should be evaluated equally for determing the best technology for electricity generation. 5 different scenarios for electric energy production from dump sites A’ and B’ and from cells A’, B’ and C’ have been examined, with the following combinations of technologies, looking for the most convenient scenario, taking into account, both financial and energy efficiency. Scenarios 1 & 2: Use of 3 and 2 ICE engines (500 kW each), respectively, for dump sites A’ & B’ and cells A’, B’ & C’ (Landfill body). Scenarios 3 & 4: Use of 4 and 3 GO engines (250 kW each), respectively, for the total of CH4 produced. (Combined) Scenario 5: Use of one 250 kW GO engine for dump sites A’ & B’ and 2 ICE engines 500 kW each for cells A’, B’ & C’. Modeling indicated that the use of 3 ICE engines, with capacity 500 kW each, yields the highest Net Present Value NPV =4,16 M€ and IRR =19%, followed by the combined scenario with the use of 1 GO engine and 2 ICE engines, with financial indicators: NPV =4,06 M€ and IRR =19%. For better evaluation of modeling results, field measurements need to be made in relation to the quantity and quality of the biogas produced, since all the results of the present dissertation are based on the implementation of the LandGEM computational models. In this way, safer conclusions can be made after verifying and adjusting the models with those measurements.