BACHELOR THESIS

  • Published on
    02-Aug-2015

  • View
    84

  • Download
    4

Embed Size (px)

Transcript

<p> 1. UNIVERZITET U NOVOM SADU FAKULTET TEHNIKIH NAUKA U NOVOM SADU Tamara Baji MOGUNOST ZAMENE FOSILNIH GORIVA BIOMETANOM KAO POGONSKOG GORIVA ZA GRADSKE AUTOBUSE NA TERITORIJI GRADA NOVOG SADA DIPLOMSKI RAD - snovne akademske studije - Novi Sad, 2013. 2. APSTRAKT U radu je definisano jedinjenje biometana, nain na koji se proizvodi i supstrati, mogunosti njegovog korienja, kao i potencijalni supstrati za njegovu proizvodnju na teritoriji Grada Novog Sada. Akcenat je stavljen na potencijal proizvodnje biometana na ovom podruju koji bi se koristio kao pogonsko gorivo u autobusima Javnog gradskog saobraajnog preduzea u Novom Sadu (JGSPNS). Kao supstrati za proizvodnju biogasa, razmotren je sav generisan organski otpad na teritoriji Novog Sada. Takoe je razmotrena potronja prirodnog gasa i dizel goriva u autobusima JGSPNS-a. Dobijeni rezultati ukazuju da kada bi se iskoristio sav navedeni organski otpad, mogla bi se proizvesti koliina biometana koja bi zadovoljila potrebe potronje goriva u 228 gradskih autobusa. S aspekta zatite ivotne sredine, odluka o zameni fosilnih goriva biometanom je vrlo dobra zbog spreavanja emisija metana, smanjenja neprijatnih mirisa, zagaenja zemljita i podzemnih voda, smanjenja emisija PM i NOx,kao i CO2u gradskoj sredini, a i boljeg iskorienja resursa u Novom Sadu. Takoe ova odluka bi u velikoj meri doprinela ispunjenju ciljeva Republike Srbije da se po Direktivi 2009/28/EC obezbedi uee energije iz obnovljivih izvora u svim oblicima saobraaja u 2020. godini od najmanje 10 % bruto finalne potronje energije (BFPE) u saobraaju u R. Srbiji. Prema pretpostavkama iz Nacionalnog akcionog plana za obnovljive izvore energije, 10 % BFPE u saobraaju iznosi 267 ktoe. Dobijeni rezultati ovog rada ukazuju da koliina potencijalno dobijenog biometana od supstrata generisanog na teritoriji Novog Sada iznosi 13,14 ktoe, to je 0,5 % BFPE u sektoru saobraaja. KLJUNE REI Biometan, fosilna goriva, zamena, gradski autobusi, Grad Novi Sad. 3. SADRAJ 1. UVOD 1 2. OSNOVE BIOGAS TEHNOLOGIJE 3 2.1 Proizvodnja biogasa i supstrati 3 2.1.1 Stabilnost procesa fermentacije 4 2.1.2 Supstrati za proizvodnju biogasa 5 2.1.3 Oprema za proizvodnju biogasa 8 2.2 Dobijanje biometana 9 2.2.1 Desumporizacija 10 2.2.2 Suenje 10 2.2.3 Uklanjanje CO2 11 2.2.4 Odorizacija 12 2.3 Mogunosti korienja biometana 12 2.3.1 Korienje biometana u kogeneraciji 12 2.3.2 Korienje biometana kao goriva za transport 13 2.3.3 Druge mogunosti korienja biometana 13 3. MOGUNOST PROIZVODNJE BIOGASA I DOBIJANJE BIOMETANA U GRADU NOVOM SADU 14 3.1 Koliine organskog otpada u Gradu Novom Sadu kao supstrata za proizvodnju biogasa 14 3.1.1 Poljoprivredne farme 14 3.1.2 Klanine industrije 14 3.1.3 Industrijske otpadne vode 15 3.1.4 Komunalne otpadne vode 15 3.1.5 Komunalni vrst organski otpad 15 3.2 Potencijal za proizvodnju biogasa i mogunosti dobijanja biometana 16 4. OCENA PRIMENLJIVOSTI U GRADU NOVOM SADU 18 4.1 Opis stanja u sektoru gradskog prevoza Javno gradsko saobraajno preduzee Novi Sad (JGSPNS) 18 4.2 Mogunost zamene fosilnih goriva biometanom u Javnom gradskom saobaajnom preduzeu Novi Sad 20 4.3 Doprinos cilju Republike Srbije koji je definisan Nacionalnim akcionim planom za OIE 22 4. 5. POTENCIJALNI DOPRINOS ZATITI IVOTNE SREDINE 23 5.1 Smanjenje emisija zagaujuih materija 23 5.2 Smanjenje emisija gasova sa efektom staklene bate (GHG) 25 6. ZAKLJUCI 28 LITERATURA 30 5. 1 1. UVOD Republika Srbija je potpisivanjem Memoranduma o integraciji u energetsko trite EU (Anonim, 2007a) prihvatila obavezu da primeni energetsku politiku u oblasti OIE, tj. Direktivu 2009/28/EC (Anonim, 2009a) za promociju korienja energije iz obnovljivih izvora. U skladu s tom Direktivom postavljeni su obavezujui nacionalni ciljevi zemalja lanica EU, kao i onih koje to ele da postanu. Najvaniji cilj je da do 2020. godine bude najmanje 20 % uee obnovljivih izvora energije u bruto finalnoj potronji na nivou EU. Prema Direktivi 2009/28/EC i prema Odluci Ministarskog saveta Energetske zajednice od 18. oktobra 2012. godine, odreen je cilj za Republiku Srbiju koji iznosi 27 % OIE u njenoj bruto finalnoj potronji energije u 2020. godini. Cilj energetske politike R. Srbije je poveanje korienja obnovljivih izvora energije koji mogu doprineti smanjenju korienja fosilnih goriva i unapreenju zatite ivotne sredine. Kako bi se to vie koristila energija iz OIE, jedan od naina realizacije ciljeva R.Srbije je uvoenje biogoriva i drugih OIE u sektor saobraaja. Republika Srbija (kao zemlja koja tei ispunjavanju uslova za ulazak u EU) i svaka zemlja lanica, obavezna je da obezbedi uee energije iz OIE u sektoru saobraaja u 2020. godini od najmanje 10 % bruto finalne potronje energije u saobraaju u toj zemlji lanici. Prema Nacionalnom akcionom planu za obnovljive izvore energije NAPOIE (Anonim, 2013), da bi se navedeni cilj ostvario, kljuni koraci koji se moraju preduzeti su razvijanje odrive proizvodnje biomase, biogasa i biogoriva visoko efikasnim tehnologijama i obezbeivanje finansijske podrke za takav razvoj. Prema NAPOIE, potencijal biomase u R. Srbiji iznosi oko 3,3 Mtoe godinje. Od ukupno raspoloivog tehnikog potencijala biomase, trenutno se koristi samo 1,06 Mtoe. Kada se uzme u obzir uticaj mera energetske efikasnosti i utede energije, poveanje bruto finalne potronje energije (BFPE) u sektoru saobraaja u R. Srbiji e poveati sa 1.926 ktoe od ukupne BFPE od 9.150 ktoe (u 2009.) na 2.675 ktoe od ukupne BFPE 10.331 ktoe. Sektor saobraaja e ostvariti najvei porast u potronji energije (u odnosu na sektor elektrine energije i sektor grejanja i hlaenja) i to sa 1.926 ktoe na 2.675 ktoe. Prema definisanom cilju da se obezbedi uee energije iz OIE u sektoru saobraaja u 2020. godini od najmanje 10 % BFPE u saobraaju (BFPE potencijalno iznosi 2.675 ktoe), koliina OIE u sektoru saobraaja u 2020. treba da iznosi 267 ktoe. Uzimajui u obzir trenutno raspoloive kapacitete za proizvodnju biogoriva iz biomase, koja zadovoljavaju u pogledu emisije GHG gasova, kao i nepostojanje regulative i pratee infrastrukture za njenu primenu u oblasti biogoriva, Republika Srbija da bi ispunila navedenu obavezu, morae da planira uvoz biogoriva u 2018. godini. Pored biodizela, bioetanola i biljnog ulja, znaajno biogorivo je i biogas. Ukoliko se iz biogasa ukloni ugljen-dioksid, sumpor i voda, njegov sastav je priblino slian sastavu prirodnog gasa, pa se moe primenjivati u SUS motorima koji koriste komprimovani prirodni gas. Takav preieni biogas se naziva biometan. Proizvodnjom i korienjem biometana dobija se najvie energije, u odnosu na druga biogoriva, sadrane u gorivu sa jednog hektara. Problem zagaenja ivotne sredine u velikoj meri doprinose izduvni gasovi iz saobraaja. a, SO2, suspendovane estice, NOx, CO, prizemni ozon, teki metali, talone materije, kao i mnoga druga jedinjenja koja doprinose efektu staklene bate, nastaju upotrebom dizela i benzina u SUS motorima. Biometan ispunjava ekoloke uslove, jer kao produkti sagorevanja nastaju samo voda i ugljen-dioksid. Korienjem biometana 6. 2 spreavaju se emisije navedenih zagaujuih materija. Budui da se za proizvodnju biogasa (biometana) najvie koriste stajnjak iz stone proizvodnje i energetske biljke, izgradnja biogas postrojenja doprinosi smanjenju neprijatnih mirisa, spreavanju zagaenja zemljita i podzemnih voda (Michel et al, 2010). Takoe proizvodnjom biogasa se smanjuju koliine industrijskog i komunalnog otpada. U Novom Sadu je uvoenje prirodnog gasa kao pogonskog goriva za gradska vozila tek u poetku razvoja, ali postoji velika mogunost za korienje biometana, jer na teritoriji Novog Sada ima puno generatora organskog otpada koji je potencijalni supstrat za proizvodnju biogasa. Cilj ovog diplomskog rada je da se razmotri mogunost zamene fosilnih goriva biometanom u autobusima Javnog gradskog saobraajnog preduzea u Novom Sadu (JGSPNS), kao i da se ocene efekti na ivotnu sredinu korienjem takvog vida goriva kao to je biometan. Zadaci diplomskog rada su: 1. Da se procene mogunosti proizvodnje biogasa iz organskog otpada na teritoriji Novog Sada. 2. Da se odredi potronja goriva u vidu dizela i prirodnog gasa u JGSPNS za gradske autobuse i oceni mogunost zamene biometanom. 3. Da se oceni potencijalni doprinos na ivotnu sredinu zamenom fosilnih goriva biometanom u JGSPNS. 7. 3 2. OSNOVE BIOGAS TEHNOLOGIJE U ovom poglavlju su prikazani supstrati koji se koriste za proizvodnju biogasa, kao i postupci za dobijanje biometana. Takoe je objanjeno u koje se sve svrhe moe koristiti dobijeni biometan. 2.1 Proizvodnja biogasa i supstrati Biogas je meavina gasova u kome najvei udeo ini metan CH4 (50-75%), ugljen- dioksid CO2 (25-45%) i vodena para H2O (2-7%). Zapreminski udeli zavise od sirovine i uslova u kojima biogas nastaje (prikazano u tabeli 1). Biogas nastaje mikrobiolokim procesom u anaerobnim uslovima. Anaerobne bakterije predstavljaju jedan od najstarijih oblika ivota na Zemlji i upravo one su zaslune za nastajanje biogasa. One razlau organsku materiju u odsustvu kiseonika, a kao produkti ovog razlaganja nastaju biogas, toplota i ostatak anaerobne razgradnje. Anaerobna fermentacija (proces anaerobne razgradnje) je prisutna svuda u prirodi gde postoje anaerobni uslovi i anaerobne bakterije (mulj u movarama, dno okeana i mora, prilikom skladitenja stajnjaka). Biogas se moe dobiti i u anaerobnim fermentorima u biogas postrojenjima pri strogo kontrolisanim uslovima. U ovom radu je razmatran biogas koji se potencijalno moe dobiti u fermentorima Tab. 1. Sastav biogasa (Kaltschmitt i Hartmann, 2001; Al Seadi et al, 2008) Aerobnom fermentacijom se oslobaa vie toplotne energije i kao krajnji produkt dobija se ugljen-dioksid, dok kod anaerobne fermentacije se dobija metan, gorivi gas. Sam proces anaerobne fermentacije se odvija u etiri faze, prikaz je dat na slici 1: 1. Hidroliza 2. Kiselinska faza 3. Siretna faza 4. Metanogena faza. Sastojak Hemijski simbol Zapreminski udeo, % Metan CH4 50-75 Ugljen-dioksid CO2 25-45 Vodena para H2O 2-7 Kiseonik O2 &lt; 2 Azot N2 &lt; 2 Amonijak NH3 &lt; 1 Vodonik H2 &lt; 1 Vodonik-sulfid H2S 20-20.000 (ppm) 8. 4 Sl. 1. etiri faze anaerobne fermentacije (Martinov i dr, 2012a) Sve faze se odvijaju jedna za drugom, prostorno i vremenski paralelno, jer u svakoj fazi uestvuju razliite grupe bakterija kojima odgovaraju drugaiji uslovi. Tokom prve faze (hidrolize) organska masa razgrauje se biohemijskim procesom oslobaanjem enzima bakterija. Kompleksna organska jedinjenja (proteini, masti i ugljeni-hidrati) razlau se na jednostavnija jedinjenja kao to su amino-kiseline, masne kiseline i eeri. Produkti hidrolize se u kiselinskoj (drugoj) fazi dalje razgrauju, gde uglavnom nastaju jedinjenja kao to su acetat, ugljen-dioksid i vodonik, a manjim delom to su jednostavnije masne kiseline i alkoholi. U treoj (siretnoj) fazi dolazi do razlaganja produkta kiselinske faze (masnih kiselina i alkohola) i nastaju: siretna kiselina, vodonik i ugljen-dioksid. U poslednjoj fazi (metanogenoj) iz siretne kiseline ili vodonika i ugljen-dioksida, nastaju metan i ugljen-dioksid. 2.1.1 Stabilnost procesa fermentacije Prilikom svakog procesa fermentacije, vano je da je svaki proces stabilan, ime se obezbeuje pogonska sigurnost. Stabilnost procesa podrazumeva ujednaen prinos biogasa priblino jednakog sastava, takoe i priblino jednaku koliinu i sastav produkata faza fermentacije. Na stabilnost procesa utiu mnogi parametri koji zavise od tehnikog izvoenja biogas postrojenja i pogonskih uslova u kojima rade, kao i od supstrata koji se koriste. Uticajni parametri se dele na: fizike, hemijske i mikrobioloke. Fiziki parametri su najjednostavniji za kontrolisanje i upravljanje. Najvaniji su: obezbeenje anaerobnih uslova, meanje sadraja fermentora, odravanje temperature u fermentoru ( do maksimalne temperature od 57 C u zavisnosti od temperaturnog reima fermentacije) i vreme zadravanja u njemu, usklaeno sa koliinom supstrata. 9. 5 Hemijski sastav supstrata ima veliki uticaj na proces anaerobne fermentacije, ali na proces takoe utiu i meuprodukti etiri faze. Za aktivnost bakterija je bitno da su snabdevene hranjivim materijama, a da su inhibirajue koncentracije materija ispod graninih vrednosti. Kiselost/baznost (pH vrednost) takoe utiu na razvoj i aktivnost bakterija. Faktori koji utiu na pH vrednost tokom procesa anaerobne fermentacije su koncentracije kiselina, ugljen-dioksida i amonijaka. Vrednost pH treba da se kree u opsegu od 4,5 do 6,3 (Wellinger et al, 1991) za bakterije hidrolize i kiselinske faze, a za bakterije siretne i metanogene faze optimalna je neutralna oblast od 6,8 do 7,5 (Braun, 1982). Takoe i inhibitori utiu na proces fermentacije, jer mogu dospeti u fermentor zajedno sa supstratom (antibiotici, dezinfekciona sredstva, herbicidi, soli i teki metali) ili kao meuprodukti faza u toku anaerobne fermentacije. Oni vrlo negativno utiu na stabilnost procesa. Mikrobioloki parametri su u direktnoj vezi sa tehnikim i hemijskim uticajnim faktorima, a potrebno je da su oni optimalni i da su koncentracije inhibitora ispod definisane granice. Potrebno je da su vrste, meavine i koliine supstrata to konstantnije tokom vremena. Iz navedenog se vidi da je za ispravno odvijanje procesa proizvodnje biogasa neophodno da se ispune brojni uslovi, te da se eventualni poremeaji rada brzo i struno otklone. Uputstvo o nainu rada, preduzimanje korektivnih mera i uklanjanje poremeaja mora da bude sastavni deo tehnoloke dokumentacije za postrojenje. Rukovalac mora da se obui za ispravno rukovanje i upravljanje postrojenjem. 2.1.2 Supstrati za proizvodnju biogasa Za proizvodnju biogasa se mogu upotrebiti skoro sve sirovine organskog porekla, od biolokog otpada, pa do biljnih vrsta koje se specijalno uzgajaju u tu svrhu. Razliite vrste supstrata mogue je kombinovati u jednom biogas postrojenju. Nusproizvodi poljoprivredne proizvodnje (stajnjak, ostaci biljne proizvodnje) ili energetske biljke se pogodno mogu iskoristiti u cilju dobijanja biogasa. Proizvodnja biogasa je posebno pogodna za zbrinjavanje industrijskog otpada (klanini, repin rezanac itd), kao i za preiavanje komunalnih i otpadnih voda iz prehrambene industrije. U ovom poglavlju su navedene neke od tih sirovina: 1. Stajnjak 2. Energetske biljke 3. Organski otpad prehrambene industrije 4. Organski otpad klanine industrije 5. Komunalne i otpadne vode prehrambene industrije 6. Komunalni vrsti organski otpad Stajnjak Moe biti teni i vrsti. Teni se sastoji od ekskremenata ivotinja i ima sadraj suve materije do 10 %, a vrsti se dobija korienjem prostirke i on ima vei sadraj suve materije (do 40 %). Fermentacija stajnjaka ima znaajne pozitivne efekte na ivotnu sredinu, jer se na taj nain spreava emisija metana u atmosferu, a smanjuje se i rasprostiranje neprijatnih mirisa. Nedostatak korienja stajnjaka kao supstrata je njegov 10. 6 nizak energetski potencijal zbog visokog sadraja vode. U tabeli 2.2 su prikazani potencijalni prinosi biogasa i zapreminski udeo metana za stajnjak. Tab. 2. Potencijalni prinosi biogasa i zapr...</p>