Modelovanje i optimizacija procesa korišćenja biogasa u proizvodnji zelene energije

Abstract

U okviru ove doktorske disertacije proučavan je potencijal za proizvodnju biogasa u Republici Srbiji iz različitih izvora, kao i dalje korišćenje proračunatih potencijala. Proučavani su takođe, energetski tokovi u životnom ciklusu upotrebe biogasa i izvršena je analiza emisija u životnu sredinu pri proizvodnji električne energije iz biogasa u odnosu na referentne fosilne izvore energije (kolubarski lignit i prirodni gas). U ovoj tezi je razvijena metodologija za određivanje potencijala za proizvodnju biogasa u Republici Srbiji iz različitih izvora, kao što su poljoprivredne kulture za proizvodnju energije, otpadni tokovi iz stočarstva, komunalnog otpada, industrije prerade mesa i otpadnih voda iz industrije prerade mleka. Rezultati primenjene metodologije, pokazali su da je ukupan godišnji potencijal za proizvodnju biogasa iz ovih izvora u Republici Srbiji 1,937.6 miliona m3. Analiza dalje upotrebe proračunatih potencijala za proizvodnju biogasa u energetskom sektoru u Srbiji, takođe je predstavljena u ovom radu. Takođe, uspostavljen je model za analizu energetskih tokova u životnom ciklusu proizvodnje i korišćenja biogasa, kao i njihovih međusobnih odnosa, počev od obezbeđivanja sirovina za digestiju, preko proizvodnje energije, do primene digestata na poljoprivrednom zemljištu. Modelovanje je izvršeno kroz energetsku analizu četiri scenarija: korišćenje biogasa za proizvodnju toplotne energije, korišćenje biogasa u kogenerativnom postrojenju, korišćenje biogasa u transportu i korišćenje biogasa u proizvodnji biovodonika. Prema pristupu analize energetskih tokova u životnom ciklusu (LCEA), rezultati dobijeni u ovom radu pokazali su da su tri scenarija (korišćenje biogasa za proizvodnju toplotne energije, za kogeneraciju i za transport) imala pozitivan energetski bilans, te su bili energetski održivi. Četvrti scenario (korišćenje biogasa za proizvodnju biovodonika) ima negativan energetski bilans i ovaj scenario dominantno koristi fosilne izvore energije. Razvijena je i metodologija za određivanje potencijala za smanjenje emisije u životnu sredinu pri proizvodnji električne energije iz biogasa u poređenju sa efektima na životnu sredinu pri proizvodnji iste količine električne energije iz fosilnih izvora (uglja iz kolubarskog basena i prirodnog gasa). Osnova za poređenje uticaja na životnu sredinu u ovoj metodologiji bila je godišnja proizvodnja električne energije u biogasnim postrojenjima ukupnog kapaciteta 80 MW. Pokazalo se da bi godišnja proizvodnja električne energije iz biogasnih elektrana snage 80 MW rezultirala u supstituciji 840 kt uglja iz kolubarskog basena i 123.2 miliona m3 prirodnog gasa, smanjenju emisije gasova staklene bašte u rasponu od 491.1 - 605 kt CO2-eq u odnosu na korišćenje uglja iz kolubarskog basena za proizvodnju električne energije i smanjenju emisije gasova staklene bašte do 92.83 kt CO2-eq u odnosu na korišćenje prirodnog gasa za proizvodnju električne energije.

In this doctoral dissertation the potential for biogas production in the Republic of Serbia from different sources, as well as further use of calculated potentials were investigated. Also, the energy flows in the life cycle of biogas production and utilization systems were evaluated, as well as the emissions into the environment during the process of production of electricity from biogas in relation to the reference fossil energy sources (Kolubara lignite and natural gas). A methodology for determination of potentials for biogas production in the Republic of Serbia from different sources, such as agricultural crops directly provided for energy, livestock residues, municipal solid waste, meat pocessing industry and wastewater from milk processing industry, was developed in this thesis. The results of the applied methodology showed that the total annual potential for biogas production from these sources in the Republic of Serbia was 1,937.6 million m3. The analysis of the further possible application of the calculated potentials for biogas production in energy sector in the Republic of Serbia was also presented. A model for the analysis of energy flows in the life cycle of biogas production and utilization, as well as their mutual relations, from providing feedstock materials, via energy production to the application of digestate on agricultural land was established. The modelling was carried out through the analysis of four scenarios: biogas for heat production, biogas in cogeneration, biogas in transportation and biogas in biohydrogen production. According to Life Cycle Energy Assessment (LCEA) approach, the results obtained in this work showed that three scenarios (biogas for heat production, biogas in cogeneration, and biogas in transportation) had positive energy balance, and were sustainable from the energy point of view. The forth scenario (biogas for biohydrogen production) had negative energy balance and this scenario dominantly used fossil resources. In this work, a methodology was developed for quantification of the potential for the reduction of emissions to the environment during the production of electricity from biogas in comparison with environmental effects of the production of the same amount of electricity from fossil resources (coal from Kolubara basin and natural gas). The basis for the comparison of environmental impacts in this methodology was the annual production of electricity in biogas plants of the total capacity of 80 MW. It was shown that the annual production of electricity from biogas power plants of the capacity of 80 MW resulted in: substitution of 840 kt of coal from Kolubara basin and 123.2 million m3 of natural gas; reduction of emissions of greenhouse gases in the range of 491.1 kt - 605 kt CO2-eq compared to the use of coal from Kolubara basin for electricity generation and reduction in emissions of greenhouse gases up to 92.83 kt CO2-eq compared to the use of natural gas for electricity generation.