| Abstract (croatian) | Biomasa je obnovljiv izvor energije (OIE) te ima važnu ulogu u diverzifikaciji opskrbe energijom u Europskoj Uniji (EU) [1]. Ona doprinosi ravnoteži ugljikovog dioksida (CO2), stvaranju radnih mjesta, smanjenju emisija stakleničkih plinova (eng. Greenhouse gas, GHG) te osiguravanju dostupnosti resursa i njihovom ekonomičnom gospodarenju [2]. U Republici Hrvatskoj biomasa je definirana prema Zakonu o obnovljivim izvorima energije i visokoučinkovitoj kogeneraciji kao “biorazgradivi dio ... More proizvoda, otpada i ostataka biološkog podrijetla iz poljoprivrede (uključujući tvari biljnoga i životinjskoga podrijetla), šumarstva i srodnih proizvodnih djelatnosti, uključujući ribarstvo i akvakulturu, kao i biorazgradivi dio industrijskoga i komunalnog otpada” [3]. Biomasa se može direktno koristiti kao gorivo za dobivanje energije (npr. drvna biomasa u kotlovima), ili se može biokemijskim, kemijskim, ili termokemijskim postupcima pretvoriti u materijal dodane vrijednosti – biogorivo, čime se postiže njezina šira primjenjivost u energetske svrhe [4]. Biogoriva prve generacije dobivena iz prehrambenih usjeva kao uzgojene biomase [5] naišla su na neodobravanje znanstvene zajednice i šire javnosti, primarno zbog korištenja obradivih površina za njihov uzgoj. Napredna biogoriva (druge i treće generacije [5]) proizvedena su iz biomase koja nije kompetitivna s proizvodnjom hrane, a u nju spada otpadna biomasa iz kućanstva i industrije, poljoprivredni ostatci, neprehrambeni usjevi te alge. Ova doktorska disertacija stavlja fokus na korištenje biomase u procesu anaerobne razgradnje za dobivanje bioplina. Cilj istraživanja je ostvariti sinergijski učinak između ekonomičnog korištenja otpadne biomase i proizvodnje energije u sustavima s velikim udjelom OIE kako bi se postiglo smanjenje utjecaja na okoliš u usporedbi s trenutnom praksom u bioplinskim postrojenjima koja uključuje korištenje kukuruzne silaže i proizvodnju električne energije uz zajamčenu otkupnu cijenu.
Mjesto nastanka, tip biomase, te njezine količine bitan su faktor za strateško pozicioniranje novih bioplinskih postrojenja, te za planiranje novih lanaca opskrbe sirovinama u postojećim postrojenjima. Geografski informacijski sustav (eng. Geographic Information System, GIS) [6] prepoznat je kao vrijedan alat za mapiranje potencijala izvora biomase, kao i određivanje transportnih udaljenosti od mjesta nastanka biomase do postrojenja. GIS analiza na razini EU pokazala je ukupni energetski potencijal za proizvodnju bioplina iz poljoprivrednih ostataka i životinjske gnojovke na godišnjoj razini jednak 0.7 EJ (oko 195 TWh) [7], što je dvostruko više nego proizvodnja bioplina iz tih supstrata ostvarena u 2016 godini u EU. Primjenom GIS alata na lokalnoj razini u Grčkoj, Sjedinjenim Američkim Državama i Finskoj pokazano je da ekonomski prihvatljive transportne udaljenosti za supstrate mogu varirati između 10 i 40 km [8–10]. Povećanjem radijusa raspoloživosti biomase povećava se i kapacitet postrojenja čime je moguće ostvariti veću proizvodnju obnovljive energije, no istovremeno stvara se dodatan teret na okoliš, kako je još uvijek većina biomase transportirana teretnim vozilima na fosilna goriva [10]. Ono što također treba uzeti u obzir prilikom procjene korištenja biomase u bioplinskom postrojenju je njezina tržišna vrijednost, odnosno plaća li bioplinsko postrojenje za biomasu, ili dobiva naknadu za njezino gospodarenje (eng. Gate fee, GF). U postojećim okvirima proizvodnje bioplina, cijena kukuruzne silaže je između 15 i 40 € po toni sirovine [11], dok alternativni izvori biomase (npr. miješani komunalni biootpad i otpadna hrana) postižu GF u iznosu od -60 do 0 €/tona [11].
Nakon što biomasa uđe u prostor bioplinskog postrojenja, potrebno ju je adekvatno pripremiti za proces anaerobne razgradnje. U tu svrhu mogu se koristiti metode predobrade koje se služe termičkim, mehaničkim, kemijskim ili biološkim postupcima (ili nekim njihovim kombinacijama) [12]. Metode predobrade služe kako bi potaknule proces razgradnje kompleksnih polimernih molekula prisutnih u organskoj tvari, čime se postiže viša konverzija biomase u bioplin [13]. Uspješnost razgradnje biomase te proizvodnje bioplina, kao i stabilnost u procesu određuju se eksperimentalnim mjerenjima, pri čemu se prate procesne varijable kao što su sadržaj suhe tvari (eng. Dry Matter, DM, ili Total Solids, TS), proizvodnja i sastav bioplina, pH, koncentracija hlapljivih masnih kiselina (eng. Volatile Fatty Acids, VFA), ukupni anorganski ugljik (eng. Total Inorganic Carbon, TIC), prisutnost amonijakalnog dušika (eng. Ammonium-nitrogen, NH4-N), koncentracija soli, teških metala i ostalo [14]. Na temelju vrijednosti navedenih procesnih varijabli operatori bioplinskih postrojenja znaju odvija li se proces unutar dozvoljenih vrijednosti te kako reagirati ukoliko je primijećena nestabilnost u procesu. Eksperimentalni podatci također služe za modeliranje kinetike anaerobne razgradnje [15] pri čemu se ovisnosti o kompleksnosti ulaznih podataka i traženih rezultata mogu primijeniti razni kinetički modeli [16–18]. Složeniji modeli zahtijevaju veći broj ulaznih podataka, ali također daju i detaljniji uvid u mehanizam reakcija i otkrivanju tzv. uskog grla procesa koji određuje ukupnu brzinu nastanka bioplina. Osim bioplina, drugi proizvod anaerobne razgradnje je digestat kojeg čine nerazgrađeni ostatci biomase u tekućoj fazi [19]. Tekuća frakcija digestata je obično bogata makronutrijentima – dušikom (N), fosforom (P) i kalijem (K), što ju čini primjenjivom kao gnojivo za tlo [20]. Čvrsta frakcija digestata također sadrži P, ali i zaostali organski ugljik (C) što ga čini prikladnim za poboljšavanje karakteristika tla, kompostiranje [21] ili za neki od oblika energetske oporabe [22]. Prednost korištenja digestata u opisanim načinima leži u činjenici da je njegova tržišna vrijednost mala, tek 2-4 €/t [23].
Proizvedeni bioplin najčešće se koristi kao gorivo u kombiniranoj proizvodnji električne i toplinske energije, kogeneracija (eng. Combined Heat and Power, CHP). Proteklih desetljeća na razini EU mehanizmi subvencija za bioplinske kogeneracije u vidu feed-in-tariffa i feed-in-premija rezultirale su intenzivnom penetracijom bioplina u elektroenergetski sektor [24]. Razina subvencija je definirana na nacionalnoj razini, ali u svim članicama EU nije niža od 80 €/MWhel, što je gotovo dvostruko veći iznos od prosječne veleprodajne tržišne cijene električne energije u EU [25]. Također, ono što je važno napomenuti jest da su subvencije izdane na određeni period (12-20 godina od statusa stjecanja povlaštenog proizvođača električne energije [26]) nakon čega će bioplinska postrojenja morati razmotriti neke druge načine iskorištavanja (eng. Utilisation) bioplina da bi zadržale ekonomski isplativo poslovanje. Prema podatcima Europske udruge za bioplin (eng. European Biogas Association, EBA) u 2020. godini u Europi je bilo instalirano 18,943 bioplinskih postrojenja, od kojih je 18,214 (96%) radilo u kogeneracijskom načinu, a ostalih 4% kao postrojenja za proizvodnju biometana kroz tehnologiju poboljšavanja bioplina (eng. Biogas upgrading) odnosno uklanjanje svih ne-CH4 komponenti bioplina [27]. Ova doktorska disertacija detaljno razlaže inovativnije načine iskorištavanja bioplina u budućim energetskim sustavima, što će uključivati rad kogeneracijskih postrojenja u tržišnim okvirima [28], pretvorbu bioplina u biometan te proizvodnju e-metana kroz implementaciju power-to-gas (P2G) koncepta [29] u sustavima s visokim udjelom energije iz varijabilnih OIE.
Primjena procjene životnog ciklusa (eng. Life Cycle Assessment, LCA) [30] može otkriti utjecaje promjene politika sirovina u proizvodnji bioplina i njegovog iskorištavanja u sprezi s budućim energetskim sustavima u odnosu na okoliš. Usporedba LCA performansi za bioplinsko postrojenje koje koristi životinjsku gnojovku i energetske usjeve pokazala je da bioplin za proizvodnju električne energije stvara uštede od oko 300 kgCO2-eq/MWhel, dok upgrading bioplina u biometan i njegovo ubrizgavanje u plinsku mrežu štedi oko 191 kgCO2-eq za proizvedeni MWh biometana [31]. Za preglednije tumačenje opisanih rezultata potrebno je izraziti emisije istom jedinicom, ali i prezentirati podatke o sastavu miksa električne energije (eng. Electricity mix). Za slučaj Irske, LCA je pokazao da integracija P2G koncepta za upgrading bioplina, uz korištenje električnog miksa od 85% OIE, može rezultirati smanjenjem GHG emisija za 70% u odnosu na fosilna goriva [32]. Na temelju pregleda literature (detaljniji prikaz u poglavlju Introduction), dosad nije zabilježeno istraživanje u području anaerobne razgradnje koje povezuje mapiranje i korištenje ostatne i otpadne biomase za proizvodnju bioplina sa njegovim iskorištavanjem u budućim energetskim sustavima. Ova doktorska disertacija je ocijenila takav cjeloviti pristup i predstavila rezultate istraživanja iz perspektive jednog, odnosno više bioplinskih postrojenja.
Interdisciplinarni i cjeloviti pristup prema promatranoj temi koristio je elemente kemijskog i strojarskog inženjerstva za ispunjavanje četiri glavna cilja istraživanja:
• • Kvantificirati proizvodnju bioplina koristeći nove supstrate biomase kao što su lignocelulozni ostatci iz poljoprivredne proizvodnje, otpadna hrana i industrijski nusproizvodi koji nisu konkurentni proizvodnji hrane, kao što je to slučaj s kukuruznom silažom u sadašnjoj proizvodnji bioplina.
• • Procijeniti kinetičke parametre anaerobne razgradnje novih supstrata kombinirajući matematičko modeliranje i eksperimentalne podatke kako bi utvrdili utjecaj kemijskog sastava supstrata na stabilnost procesa i eventualna ograničenja u procesu.
• • Utvrditi ekonomski isplative načine budućeg rada bioplinskih postrojenja na naprednim energetskim tržištima nakon što bioplinska postrojenja ostanu bez financijskih potpora i zajamčene cijene električne energije.
• • Procijeniti utjecaje na okoliš različitih načina korištenja bioplina integriranih u buduće energetske sustave s visokim udjelom obnovljivih izvora energije.
Ostvareni ciljevi istraživanja te rezultati prezentirani su široj znanstvenoj zajednici kroz sedam objavljenih znanstvenih radova (šest radova u kvartilu Q1 te jedan rad u Q2).
Znanstveni članak 1 (ARTICLE 1) [33] prikazuje detaljnu analizu lanaca vrijednosti biomase iz različitih poljoprivrednih ostatka, nusproizvoda i otpada (eng. Agricultural wastes, co-products and by-products, AWCB). Rad opisuje faze u kojima i kako nastaje otpad kroz tri specifična koraka u lancu vrijednosti: proizvodnja/uzgoj, obrada u industriji te potrošnja/konzumacija. Analiza uključuje razdoblje od 7 godina, od 2010. do 2016. u 28 zemalja članica Europske unije (EU28) te uključuje četiri različita sektora sa 26 analiziranih dobara (eng. Commodity) i prikladnim vrstama otpada koji se pojavljuju u tim sektorima. Za izračun tehničkog potencijala AWCB korišteni su javno dostupni podaci iz EUROSTAT i FAOSTAT baze, a metoda proračuna uključivala je upotrebu specifične količine AWCB po analiziranim dobrima i sektoru. Rezultati su pokazali da je u analiziranom periodu u EU28 procijenjena količina AWCB iznosila oko 18,4 milijarde tona, a prema udjelima: animalni sektor ~ 31%, sektor povrća ~ 44%, sektor žitarica ~ 22% te sektor voća ~ 2%. Analizirajući pojedine sektore i količine nastalog AWCB, daljnje istraživanje bilo je usmjereno na evaluaciju korištenja određenih AWCB iz lanca vrijednosti biomase u procesu anaerobne razgradnje s ciljem proizvodnje bioplina. Znanstveni članci 2, 3 i 4 pokazuju rezultate takvog pristupa uz primjenu istraživačkih metoda kemijskog inženjerstva.
ARTICLE 2 [34] istražuje upotrebu lignoceluloznih ostataka trave kao zamjene za silažu kukuruza u anaerobnoj razgradnji. Uzorci trave prikupljeni su s područja koja nisu kompetitivna s proizvodnjom hrane: neobrađeno zemljište, obala rijeke Save u gradu Zagrebu te bankina autoceste. U istraživanju je određen svježi i suhi prinos biomase, njezin kemijski sastav, prinos te sastav proizvedenog bioplina, a primjenom Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) modela određeni su kinetički parametri razgradnje trave. Ujedno, na kraju je dana usporedba okolišnijih učinaka zamjene kukuruzne silaže ostatnom travom u proizvodnji električne i toplinske energije. Rezultati istraživanja su pokazali da je najveći prinos ostatne trave utvrđen za obalu rijeke, sa prosječnom vrijednošću od 19 t/ha svježe mase i 2.6 t/ha suhe mase. Svi uzorci trave pokazali su zadovoljavajuće parametre za primjenu u anaerobnoj razgradnji − omjer C/N između 16.6: 1 do 22.8: 1. Ostvareni biokemijski potencijal metana u monorazgradnji (monodigestiji) ostataka trave su: 0.275 Nm3/kgTS za travu s neobrađenog zemljišta, 0.192 Nm3/kgTS za travu s obale rijeke i 0.255 Nm3/kgTS za travu s bankine autoceste. Procijenjeni kinetički parametri razgradnje trave razlikuju se od do sada objavljenih rezultata, prvenstveno zato što prijašnje analize uključuju specifične tipove travnate biomase, a ne ostatnu (miješanu) travu. Procijenjeni okolišniji utjecaji zamjene kukuruzne silaže travnatom biomasom u proizvodnji električne i toplinske energije pokazali su prednosti u smislu ostvarenog doprinosa kvaliteti ekosustava (eng. Ecosystem quality) i ljudskog zdravlja (eng. Human health), no također i nešto veće emisije GHG uzrokovane izgaranjem fosilnih goriva u poljoprivrednoj mehanizaciji i povećanim transportom trave zbog nižeg prinosa bioplina u odnosu na silažu. Čvrsta frakcija digestata dobivena u procesu monodigestije trave korištena je u znanstvenom članku 3 (ARTICLE 3) kao ulazni materijal za istraživanje procesa pirolize.
Cilj istraživanja u ARTICLE 3 [35] bio je odrediti utjecaj anaerobne razgradnje na sastav lignocelulozne biomase korištenjem termogravimetrijske analize (eng. Thermogravimetric analysis, TGA). Također, procijenjeni su iznosi energije aktivacije i modificiranog predeksponencijalnog faktora za travu i njezine digestate, kao i prinos konačnog ostatka pirolize (eng. Biochar). Rezultati su pokazali da je procijenjena količina razgrađene celuloze i hemiceluloze u istraživanim uzrocima trave oko 44–50%. Nadalje, digestati trave pokazali su veći prinos biochar-a (oko 38%) u odnosu na uzorke trave (oko 24%). Kombinirani proces anaerobne razgradnje trave i pirolize njezinih digestata pokazao je manje vrijednosti procijenjenih kinetičkih parametra što upućuje na niže energetske potrebe takvog procesa u odnosu na direktnu pirolizu trave.
ARTICLE 4 [36] bio je izrađen u suradnji sa industrijom biomase i bioplina. U radu je eksperimentalno istražena razgradnja otpadne hrane (eng. Food waste, FW) iz bioplinskog postrojenja zajedno s nusproizvodnima iz kafilerije (eng. Rendering plant): mesno-koštano brašno (eng. Meat and bone meal, MBM) i mulj sa otpadnih voda (eng. Wastewater sludge, WWS). Prvo je provedena termička predobrada uzoraka FW (FW1 i FW2) pri temperaturi od 35 °C i trajanju 5 dana u koju su bili dodani MBM i WWS u udjelima od 5, 10 i 15% TS. Nakon toga slijedila je anaerobna razgradnja pri 40.5 °C u trajanju od 40 dana. Uvjeti termičke predobrade i proizvodnje bioplina u laboratorijskom mjerilu replicirani su iz rada samog bioplinskog postrojenja. Također, za vrijeme procesa u laboratoriju bile su praćene sve procesne varijable kao i u radu digestora na postrojenju. Kao rezultat predobrade kemijska potrošnja kisika (eng. Chemical Oxygen Demand, COD) ispitivanih uzoraka povećala se za 7 – 26%. Dodavanjem MBM u FW1 došlo je do povećanja vrijednosti COD kao i NH4-N, dok se u slučaju dodatka WWS u FW2 postiglo smanjenje, što je i bilo očekivano, budući da je WWS materijal s niskim udjelom organske tvari. Kao rezultat testa anaerobne razgradnje dobiveni su sljedeći prinosi bioplina: za FW1 – 0.566 Nm3/kg TS, za FW1-MBM – 0.499 Nm3/kg TS, za FW2 – 0.252 Nm3/kg TS i 0.195 Nm3/kg TS za FW2-WWS. Tako širok raspon vrijednosti rezultat je heterogenosti FW (FW1 i FW 2 uzete su s vremenskim razmakom od dva mjeseca na istom postrojenju). Prema sastavu proizvedenog bioplina, kao i ostalim procesnim varijablama može se zaključiti da su FW1 i FW2 vrlo slični po sastavu, ali da je istovremeno postojao neki uzročnik inhibicije u proizvodnji bioplina za uzorak FW2, koji se nije mogao procijeniti na temelju dostupne opreme i provedenih mjerenja. Tek su mjerenja električne vodljivosti ukazala na to da uzorak FW2 sadrži nešto veću koncentraciju soli koja bi mogla biti uzročnik smanjenog prinosa bioplina. Nusproizvodi kafilerije dodani u 5%-tnom udjelu uzrocima FW rezultirali su smanjenjem proizvodnje bioplina za 12% u slučaju MBM i 23% u slučaju WWS, ali nisu utjecali na stabilnost proizvodnje. Štoviše, analizom kinetike razgradnje ustanovljeno je da MBM i WWS ubrzavaju proces razgradnje FW što se vidi iz višeg iznosa reakcijske konstante. Također, pokazano je da ispitivani uzorci najbolje koreliraju sa kinetikom prvog reda što je vidljivo iz najniže ostvarene vrijednosti RMSE (eng. Root mean square error) koja je iznosila 0.015 Nm3/kg TS.
U znanstvenom članku 5 (ARTICLE 5) [37] provedena je tehno-ekonomska i scenarijska analiza rada bioplinskog postrojenja nakon isteka subvencija za proizvodnju električne energije. Vođenje takvog sustava temeljilo se na iznosu cijena električne energije i biometana (eng. Unit commitment with economic dispatch) koje su određivale koja od jedinica za prihvat bioplina: CHP, upgrading ili spremnik ima najveću ekonomsku isplativost u danom trenutku. Za opis dinamike korišten je program MATLAB/Simulink, a za ekonomsku analizu MS Excel. U prvom scenariju prikazan je utjecaj cijene proizvodnje električne energije u bioplinskom postrojenju (eng. Break-even point of electricity production, BECPel) na broj radnih sati kada ono može ostvariti svojevrstan profit na dan-unaprijed tržištu (eng. Day-ahead market) električne energije. Rezultati su pokazali da kada vrijednost BECPel postane 40 €/MWhel, bioplinsko postrojenje može ostvariti (neki) profit radeći samo 4,000 sati godišnje, kako je ostalo vrijeme cijena električne energije na tržištu niža od cijene proizvodnje. Kada BECPel postane 100 €/MWhel bioplinsko postrojenje ne može ostvariti nikakav profit radeći na dan-unaprijed tržištu. Kao jedno od rješenja koje se nameće za smanjenje vrijednosti BECPel je korištenje supstrata s negativnom cijenom (GF model) koja je detaljnije prikazana u članku 6 (ARTICLE 6). Drugi scenarij uključivao je instaliranje upgrading jedinice i proizvodnju biometana, a proizvodnja električne energije ovisila je o cijenama na tržištu uravnoteženja (eng. Balancing market). Takav pristup je pokazao da bioplinsko postrojenje i uz relativno visoku cijenu biometana od 80 €/MWh, može u određenim trenutcima ostvariti i veći profit ako radi na balancing tržištu. Treći scenarij za bioplinsko postrojenje uključivao je integraciju industrijskog otpada iz proizvodnje šećera za proizvodnju bioplina i njegovo korištenje za proizvodnju procesne topline u vrijeme šećerne kampanje. Takav pristup pokazao se relativno neisplativim za bioplinsko postrojenje kako je cijena prirodnog plina na veleprodajnom tržištu još uvijek dosta niska i bioplin joj ne može u tom smislu biti konkurentan.
ARTICLE 6 [38] predstavlja rezultate integracije P2G koncepta u rad bioplinskog postrojenja koje se nalazi u GF poslovnom modelu, odnosno prima naknadu za ulazni supstrat pri proizvodnji bioplina. Cilj istraživanja bio je razviti robustan matematički model na satnoj razini za procjenu optimalnih kapaciteta vjetroelektrane i solarne elektrane, veličine spremnika za bioplin te kapacitete elektrolizera, upgrading jedinice i metanatora (eng. Methanation unit) koristeći linearno programiranje i besplatni (eng. Open source) programski jezik Julia. Kao funkcija cilja korištena je minimizacija ukupnih troškova. Matematički model testiran je na postojećoj bioplinskoj elektrani instalirane snage 1 MWel. Utvrđeno je da P2G koncept zahtijeva integraciju 18 MWel vjetra i 9 MWel solara na lokaciji, uz dodatan uvoz električne energije iz mreže u iznosu 16 GWhel kako bi se na godišnjoj razini proizvelo 36 GWh obnovljivog metana. Analiza je pokazala da GF (u promatranom slučaju za otpadnu hranu) značajno doprinosi ekonomskoj održivosti obnovljivog metana: promjena GF za 100 €/toni rezultira smanjenjem troškova njegove proizvodnje za 20-60%. Ustanovljeno je da za vrijednost GF=-120 €/tona obnovljivi metan iz prikazanog koncepta postaje cjenovno konkurentan prirodnom plinu. Robusna priroda modela pokazala je da nesigurnosti povezane s proizvodnjom električne energije iz vjetra i solara na lokaciji mogu povećati troškove proizvodnje obnovljivog metana za 10-30%.
ARTICLE 7 [39] integralno obuhvaća rezultate svih dotad objavljenih radova u sklopu izrade doktorske disertacije i smješta ih u kontekst testiranja hipoteze. U njemu je provedena geoprostorna analiza (eng. Geospatial analysis) bioplinskog sektora korištenjem javno dostupnog programa QGIS te procjena okolišnijih utjecaja pomoću programa SimaPro. Cilj rada bio je mapirati energetski potencijal otpadne trave, industrijskih nusproizvoda i otpada, te komunalnog biootpada (otpadne hrane) za zamjenu kukuruzne silaže u postojećoj proizvodnji bioplina te planiranje proširenja bioplinskog sektora. Kao studija slučaja (eng. Case study) korištena je Sjeverna Hrvatska (eng. Northern Croatia), područje s intenzivnim bioplinskim sektorom te snažnom industrijom, poljoprivredom i velikom gustoćom stanovništva. Rezultati su pokazali da bi navedene sirovine mogle zamijeniti 212 GWh bioplina iz kukuruzne silaže u postojećim bioplinskim postrojenjima te stvoriti dodatnih 191 GWh biometana u novim postrojenjima. Također, geoprostorna analiza je pokazala da su neka bioplinska postrojenja izgrađena u neposrednoj blizini plinske transportne mreže (<2km udaljenosti) i da imaju potencijal za utiskivanje biometana u plinsku mrežu. Cjelokupna analiza utjecaja na okoliš postojećih bioplinskih postrojenja pokazala je da integralni pristup proizvodnji i korištenju bioplina stvara sinergijske učinke u smislu smanjenja opterećenja na okoliš, što izravno dokazuje hipotezu studije. Kompleksnost P2G koncepta i njegovi intenzivni energetski zahtjevi čine ga trenutno nepovoljnijim u usporedbi sa klasičnim upgradingom bioplina, no isti dolazi do izražaja kada se u razmatranje uzmu budući energetski sustavi s visokim udjelom OIE. Znanstveni doprinosi ovog rada ostvareni su kroz provedena istraživanja te prikazani kroz objavljene rezultate u radovima kako slijedi:
• Eksperimentalnim istraživanjem anaerobne razgradnje novih supstrata biomase odredit će se potencijalne prepreke u proizvodnji bioplina, poput pojave inhibicije ili utjecaja tipa biomase na stabilnost procesa:
ARTICLE 2: Ustanovljeno je da lignocelulozna biomasa u obliku ostatne trave ne sadrži fizikalno-kemijske karakteristike koje bi ograničile njezinu upotrebu za proizvodnju bioplina. Štoviše, pokazalo se da ista uzrokuje poboljšanu kontrolu pH što doprinosi stabilnosti proizvodnje bioplina. Nedostatak njezinog korištenja je taj što je za ostvarivanje većih prinosa potrebno primijeniti neki oblik predobrade.
ARTICLE 4: Heterogenost otpadne hrane utječe na vođenje procesa za što je potrebno ustanoviti robusnu kontrolu procesnih varijabli. Pokazalo se da i na razini bioplinskog postrojenja postoje neke varijable koje se ne prate na dnevnoj razini (prisutnost soli i metala), a koje mogu uzurpirati proizvodnju bioplina. Ustanovljeno je da kafilerijski nusprodukti i otpad u manjim količinama mogu doprinijeti povećanju brzine razgradnje otpadne hrane.
• Predložiti alternativne mjere za trenutni sektor bioplina uzimajući u obzir tržišne cijene i analizu utjecaja na okoliš koristeći pristup procjene životnog ciklusa.
ARTICLE 5: Alternativne mjere za bioplinski sektor u vidu proizvodnje biometana i rada bioplinskih postrojenja na day-ahead i balancing tržištu električnom energijom pokazala se kao najvjerojatnija opcija nakon napuštanja poticajnih sustava za proizvodnju električne energije. U takvim okvirima tranzicija s kukuruzne silaže na supstrate alternativne supstrate postati će prihvatljiva operativna odluka uz dodatne investicije u novu opremu.
ARTICLE 6: Integracija varijabilnih OIE u rad bioplinskih postrojenja pokazala je da će se u budućnosti paradigma bioplinskih postrojenja kao takvih promijeniti – više neće biti samo pasivni proizvođači struje, nego će postati aktivni sudionici na tržištima energijom.
ARTICLE 2: Pokazano je da otpadana trava više doprinosi kvaliteti ekosustava i ljudskom zdravlju nego kukuruzna silaža, iako uzrokuje veće emisije stakleničkih plinova, prvenstveno zbog intenzivnijih potreba za transportom na fosilna goriva.
ARTICLE 7: LCA predloženih mjera za sektor bioplina koje uključuju zamjenu kukuruzne silaže alternativnih oblicima biomase te iskorištavanje bioplina u sustavima s visokim udjelom OIE pokazala je sinergistički efekt u smislu smanjenja cjelokupnog tereta na okoliš. Analiza je također pokazala da je integracija P2G u promatranim okvirima još uvijek neatraktivna zbog kompleksnosti sustava i energetski intenzivnih procesa.
• Napredni model geografskog informacijskog sustava mapiranja novih izvora biomase koji će u kombinaciji s različitim načinima korištenja bioplina integriranim u sustave visokih obnovljivih izvora energije u naprednim energetskim tržištima rezultirati robusnim matematičkim modelima primjenjivim na različite slučajeve bioplinskih postrojenja.
ARTICLE 6: Razvijeni robusni model integracije P2G koncepta u rad bioplinskog postrojenja pokazao je sinergiju između GF poslovnog modela te integracije obnovljive električne energije i topline koji su objedinjeni u postavljenoj matematičkoj formulaciji nivelirane cijene obnovljivog metana (eng. Levelized cost of renewable methane, LCORM).
ARTICLE 7: Razvijeni GIS model obuhvaća analizu postojećih bioplinskih postrojenja i pozicioniranje budućih biometanskih postrojenja na temelju geoprostorne analize dostupnih alternativnih supstrata i položaja plinske mreže.
Hipoteza ovog istraživanja je da je primjenom cjelovitog pristupa u radu bioplinskih postrojenja, i na strani proizvodnje i iskorištavanja bioplina, moguće povećati ekonomsku profitabilnost i doprinos zaštiti okoliša u usporedbi s trenutnim subvencioniranim radom. Kroz provedena istraživanja hipoteza je testirana i potvrđena uzevši u obzir sljedeće:
• Ekonomska profitabilnost bioplinskih postrojenja nakon napuštanja subvencija i ograničenja u korištenju kukuruzne silaže bit će teže ostvariva. Uključivat će implementaciju GF poslovnog modela za supstrate za što će biti potrebne nove investicije po pitanju linije za predobradu, povećanje kapaciteta za spremanje bioplina na lokaciji kako bi postrojenje bilo fleksibilnije na tržištu električne energije te dodatne investicije u sustav za proizvodnju obnovljivog metana, prvenstveno biometana.
• Cjeloviti pristup pokazao je da će doprinos budućeg bioplinskog sektora smanjenju okolišnih tereta ići kroz dvostruki doprinos: iz gospodarenja otpadom za proizvodnju bioplina koji će uključivati prvenstveno komunalni i industrijski biootpad u urbanim bioplinskim postrojenjima, a poljoprivredne ostatke u ruralnim bioplinskim postrojenjima, te iskorištavanja bioplina za proizvodnju obnovljive energije u vidu biometana. Less |
