Производство на енергия от хранителни отпадъци

Cъгласно Директива 2008/98/EО "биоотпадъци" са биоразградимите отпадъци от парковете и градините, хранителни и кухненски отпадъци от домакинствата, ресторантите, заведенията за обществено хранене и търговските обекти, както и подобни отпадъци от предприятията на хранително-вкусовата промишленост. В тази категория не попадат отпадъците от горското и селското стопанство, естествени торове, утайки от отпадъчни води и други. Биоотпадъците се подразделят на зелени и хранителни отпадъци.

Хранителните отпадъци представляват сериозен дял от обема на твърдите битови отпадъци, изхвърляни традиционно на сметищата. Те са до голяма степен все още неизползван ресурс със сериозен потенциал за производство на енергия.

С развитието на съвременните технологии за оползотворяване на растителни и животински остатъци от домакинствата и индустрията хранителните отпадъци биха могли да се превърнат в един от основните източници на топлина, гориво и електричество за много предприятия и региони и в един от основните ресурси на кръговата икономика в съвременните общества и производства. Ето защо се търсят все по-ефективни, устойчиви и екологосъобразни методи за обработването и оползотворяването им.

"Waste-to-energy" концепции

Отпадъците от хранително-вкусовата индустрия се състоят главно от органични остатъци от преработката на сурови растителни и животински продукти, а видът, количеството и качеството им зависят пряко от изходните суровини и крайните продукти, както и от производствените методи.

Обикновено се изхвърлят големи количества обелки от плодове и зеленчуци, мазнини (растителни или животински), сухо вещество от преработката на плодове при производството на сокове, нектари и др., отпадъци от кланици, както и големи количества отпадъчни води от производствените и преработващи процеси, съдържащи органична материя. В ХВП не само производството на отпадъци е неизбежно, но и количеството и видът им са постоянни при запазването на дадено константно качество на крайния продукт.

Същевременно осигуряването на устойчив и (по-възможност) възобновяем енергиен източник става критично за съвременните енергийно интензивни процесни индустрии, включително хранително-вкусовата промишленост. Ето защо все по-често се разработват и внедряват т. н. “waste-to-energy” концепции (за превръщане на отпадъците в енергия), които да донесат ползи за предприятията в икономически, социален и екологичен аспект.

Управлението на отпадъците се превръща в съществен елемент на енергийния мениджмънт в ХВП, която е силно зависима от използването на енергия за термична преработка, машинна обработка, транспортиране, охлаждане и съхранение на продуктите.

Ползи от производство на енергия от хранителни отпадъци

Превръщането на хранителните отпадъци, изхвърляни на сметищата, в енергия би могло значително да намали вредните емисии на метан, отделяни в атмосферата. Сред негативите и рисковете за населението, свързани с хранителните отпадъци, са опасностите от разпространение на зарази, вредители, неприятната миризма и др.

Извозването и депонирането на биологични отпадъци обикновено представлява значителен разход за предприятията и води до допълнителни разходи за обществата, като не носи никакви ползи в замяна. Чрез превръщането на биоотпадъците в енергия, например чрез анаеробно разлагане, се получават два използваеми продукта.

Единият е газ, който може да се използва на място за покриване на част от енергийните потребности на обекта или предприятието или подаван към електропреносната мрежа, а другият - твърдо вещество (биотор). Торта може да бъде продавана на фермерите и агропроизводителите или използвана в собствен затворен производствен цикъл.

С нарастването на цените на енергията в глобален мащаб първоначалната инвестиция в закупуването на съоръжения за производство на енергия от хранителни отпадъци става все по-пренебрежима на фона на ползите за притежателите в дългосрочен план и възможностите за бърза възвръщаемост на вложенията благодарение на прилагането на високоефективни методи.

Ето защо във все повече преработвателни предприятия от ХВП, както и в градски пречиствателни станции за отпадъчни води, се внедряват инсталации за производство на енергия от хранителните отпадъци и утайките, съдържащи органична материя. Така се покриват голяма част от собствените енергийни нужди, намалява се въглеродният отпечатък и се намаляват общите производствени или оперативни разходи.

Енергийни характеристики на хранителните отпадъци

Хранителните отпадъци представляват около една пета от общото количество изхвърляни на сметищата твърди отпадъци. Десетки милиони тонове биоразградими отпадъци се депонират всяка година, като от тях се оползотворяват по-малко от 3% (според глобално изследване на щатската агенция EBMUD), главно чрез компостиране.

Сред стимулите за превръщане на хранителните отпадъци в енергия са заложените в много национални законодателства цели за оползотворяване на този ресурс. Хранителните отпадъци се отделят в програмите по сепариране и рециклиране на смесени твърди битови отпадъци и изискват допълнителни процеси и съоръжения за оползотворяване. Сред предимствата им е фактът, че са лесно разградими и се отличават с по-висока степен на разлагане (86-90%) от останалите биоразградими отпадъци (например отпадъците от горското и селското стопанство).

Една от основните причини за прилагане на методи за оползотворяване на хранителните отпадъци (включително от ХВП) е производството на електричество и топлина за технологични нужди като краен продукт. В допълнение, оползотворяването на хранителни отпадъци включва възможности за производство на енергия от възобновяем източник с висок енергиен потенциал.

Според проучването на EBMUD този потенциал е три пъти по-голям в сравнение с други биоотпадъци по показател количество произведен метан (основен компонент на биогаза). От тон хранителни отпадъци могат да бъдат произведени над 370 куб. м газ, докато от други твърди биоразградими отпадъци (например някои растителни отпадъци от селското стопанство) се произвеждат около 120 куб. м газ на тон, а от животинска тор - едва 25 м3 от тон.

Предизвикателства и алтернативи

Оползотворяването на обемите хранителни отпадъци и отпадъци от хранително-вкусовата промишленост (ХВП) e предизвикателство поради недостатъчната им биологична стабилност, потенциално патогенна природа, потенциал за бързо автоокисление и високо ниво на ензимна активност. Допълнителни особености са хетерогенният им състав, високо влагосъдържание и сравнително ниска енергийна стойност (в сравнение с изкопаемите горива например).

Това до голяма степен възпрепятства проектирането и реализацията на масови мащабни индустриални процеси и съоръжения за производство на енергия от хранителни отпадъци. Налице са обаче широка гама от методи и технологии за превръщането им в енергия, които позволяват избор на най-подходящото решение спрямо конкретното приложение и наличния ресурс и извличането на най-голяма полза за съответния обект, предприятие или индустрия. Сред тях са биологични и биохимични методи (аеробно, анаеробно разлагане или ферментация), термични и термохимични процеси (изгаряне, пиролиза, газификация, хидротермално окисление и др.).

Методи за производство на енергия от хранителни отпадъци

Сред най-разпространените методи е директното изгаряне или инсинерация на отпадъците без предварителна обработка. Методът е подходящ за хетерогенни маси хранителни отпадъци и чрез него се произвежда енергия за готвене, отопление или технологични нужди (например за загряването на парни генератори).

Тази технология може да бъде използвана както в малък мащаб за домакински и търговски цели, така и в големи промишлени съоръжения. Вариант на директното изгаряне е пиролизата, при която процесът протича в отсъствието на кислород.

Чрез термохимично преобразуване на хранителни отпадъци типично се произвеждат рафинирани горива, които могат да бъдат използвани за разнородни цели. Приложим за хранителни отпадъци, но технически по-подходящ за чиста биомаса (например дървесни отпадъци) процес е газификацията, която представлява частично изгаряне на отпадъците за производството на синтетичен газ с по-ниска отоплителна стойност от тази на природния газ.

Традиционно чрез ферментация на въглехидратите в плодове и озахарени зърнени храни се получава етанол; чрез естерификация се преработват растително олио, животински мазнини (мас, лой и др.) и други масла от растителен и животински произход за получаване на биодизел.

Сред все по-разпространените методи за производство на енергия от биоразградими отпадъци е анаеробното разлагане в биореактори.

Анаеробно разлагане на хранителни отпадъци

Анаеробното разлагане (ферментация) представлява процес, при който под въздействието на специфични микроорганизми (бактерии) органичната материя се разгражда в анаеробни условия (отсъствие на кислород). Това е естествен процес, който се среща на много места в природата - на дъното на водни басейни, в организма на преживните животни, в почвите и др.

Освен за превръщане на хранителни отпадъци в енергия в контролирана среда, методът е подходящ и за преработка на други органични отпадъци, животинска тор, шламове/утайки от ПСОВ, растителни остатъци и др. Процесът протича в четири фази: хидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза.

Двата основни вторични продукта на анаеробното разлагане са газ и твърдо вещество - биогаз и биотор. Газът е естественият страничен продукт от микробния метаболизъм, а торта е изходен продукт от биореакторите за преработка на биоразградими отпадъци. Биогазът се състои от метан (60-80%) и въглероден диоксид, които се разделят в инсталацията. Други отпадъчни (неизползваеми) продукти от процеса на практика няма.

Биогазът може да бъде директно изгарян за готвене или отопление, както и използван (след пречистване от въглеродния диоксид) като заместител на природния газ за производство на електричество за различни технологични нужди, за зареждане на превозни средства с газови двигатели, в когенерационни инсталации за комбинирано производство на топлина и електричество или подаван към газоснабдителна мрежа.

Всички хранителни вещества, които се съдържат в изходната суровина, остават в торта. При процеса на преработка тези вещества се минерализират и привеждат в удобна форма, за да бъдат използвани като естествен заместител на широко използваните синтетични торове, деривати на изкопни горива.

Особености на технологията

За да бъде произвеждана енергия от хранителни отпадъци чрез анаеробно разлагане, са необходими основно анаеробен реактор и изходна суровина. В зависимост от конфигурацията на инсталацията и етапите й, разбира се, може да е необходим външен енергиен източник за спомагателни дейности като транспортиране, смесване и изпомпване на суровината, но използването за тези цели количество енергия е пренебрежимо на фона на произведеното.

Процесът е подходящ не само за растителни остатъци, но и за месо, мазнини, кости и други кланични отпадъци. Костите изпълняват ролята на pH буфер в инсталацията и осигуряват съдържание на калций в произведената тор.

Поради силно хетерогенния характер на хранителните отпадъци количеството биогаз, който може да бъде произведен от изходната суровина, зависи от състава и влагосъдържанието й. Типично от отпадъци с по-ниско съдържание на влага може да бъде произведен повече биогаз. Същото важи и за отпадъци, съдържащи повече мазнини и протеини отколкото целулоза и въглехидрати.

Хранителните отпадъци, в зависимост от източника си, могат да постъпят за преработка в различен вид - смесени хранителни отпадъци без други отпадъчни материали; хранителни отпадъци с опаковки, пластмасови чинийки, чаши или прибори; смесени отпадъци от домакинства, заведения или предприятия с много малко хранителни остатъци по тях и др.

Последният вид не е приемлив за производство на енергия чрез анаеробно разлагане. Колкото по-малък е размерът на частиците органична материя в биореактора, толкова по-лесно се осъществява процесът. Ето защо обикновено суровината се подлага на предварително механично третиране (сортиране, сепариране, раздробяване и др.).