Projekti / Programi
Načrtovanje trajnostnih in energijsko samozadostnih procesov na osnovi obnovljivih virov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.03 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Procesno sistemsko inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
obnovljiva energija, bioplin, proces, načrtovanje, optimizacija, učinkovitost, trajnostni razvoj, energijska samozadostnost
Raziskovalci (23)
Organizacije (6)
Povzetek
Proizvodnja bioplina iz živinskih in rastlinskih odpadkov je učinkovit način za pridobivanje energije in reševanje zahtevnih okoljskih problemov. Predstavlja pomemben korak pri doseganju energijske samozadostnosti procesov predelave mesa in prehod od fosilnih goriv na obnovljive vire. Sistemska analiza proizvodnje bioplina, posebej iz gnoja in drugih živinskih odpadkov, ki vsebujejo visok delež lignoceluloznih snovi, kaže, da proizvodnja bioplina ni optimalna. Zato se srečuje s številnimi problemi, zaradi katerih ni ekonomsko uspešna, razen ob izdatnih državnih spodbudah. Ti problemi so naslednji:
i) uporaba prehranskih rastlin (koruzna zrna in silaža) kot dodatni vir ogljika vnaša neugodno in drago konkurenco med prehranski in energetski sektor za izrabo biomase;
ii) nižja presnova substratov v bioplin zaradi težavne razgradnje lignoceluloznih snovi;
iii) neustrezna uporaba digestata po anaerobni digestiji, ki se odvaža na polja kot gnojilo in povzroča obremenjevanje okolja ter povečuje porabo sveže vode;
iv) neučinkovita izraba nizkotemperaturne toplote, ki nastane pri proizvodnji električne energije v kogeneracijskih napravah.
Da bi proizvodnja bioplina postala konkurenčna fosilnim gorivom, jo je potrebno optimirati na vseh nivojih biokemijske preskrbovalne verige – od surovin, do reakcijskih poti, procesa in celotnega podjetja z okolico. Na osnovi zgoraj navedenih izzivov predlagamo pet raziskovalnih sklopov, ki omogočajo kontinuirne izboljšave in diskretne inovacije preskrbovalne verige bioprocesov:
1. Na nivoju surovin - identifikacija neprehranskih hitrorastočih rastlin in lesnih odpadkov kot vir ogljika in optimizacija vhodnih inokulumov in substratov.
2. Na nivoju bioreakcijskih poti - razvoj postopkov predobdelave za aktivacijo organskega lignoceluloznega ogljika, povečanje presnove substratov v bioplin, predelava bioplina v uporabne produke, npr. sintezni plin in biogoriva, in pretvorba digestata v dragoceno visokokvalitetno biognojilo, npr. z uporabo biooglja.
3. Na ravni procesa - večkriterijsko optimiranje procesne sheme z najnaprednejšimi tehnikami matematičnega programiranja z namenom i) simultane integracije procesne sheme z masno (približevanje ničelnim odpadkom), toplotno in energijsko integracijo, ii) minimiranje porabe sveže vode z načrtovanjem zaprtih vodnih mrež, iii) optimiranje soproizvodnje toplote, električne energije in hladu, in iv) integracija drugih obnovljivih virov, npr. fotovoltaike, deževnice, geotermalne energije, v preskrbovalno verigo.
4. Na nivoju celotnega podjetja in okolice – večkriterijsko integriranje bioplinarne v preskrbovalno verigo Perutnine Ptuj in okolice z namenom povečati surovinsko in energijsko samozadostnost korporacije, vzpostaviti in optimirati distribucijsko mrežo surovin in produktov ter optimirati distribucijo toplote, električne energije in hladu v lokalna omrežja.
5. Na osnovi znanja, pridobljenega pri optimizaciji procesa za proizvodnjo bioplina, bomo predlagli holistični koncept za trajnostno sintezo in obratovanje bioprocesov na osnovi obnovljivih virov za doseganje trajnostnih, integriranih in globalno optimalnih (ali blizu optimalnih) rešitev.
Glavni izziv raziskave je povečati konkurenčnost proizvodnje bioplina in drugih bioprocesov na osnovi obnovljivih virov, glede na procese, ki temeljijo na fosilnih virih. Glavna novost raziskave je celovita optimizacija vseh nivojev preskrbovalne verige z uporabo kombiniranega eksperimentalnega in procesno sistemskega pristopa.
Predlagano projektno skupino sestavljajo industrijski partner, tri akademske in dve raziskovalni partnerski organizaciji, ki zagotavljajo visoko strokovna in komplementarna znanja, opremo, pilotne naprave in industrijsko postrojenje, ki so potrebni za izvajanje kombiniranega eksperimentalnega in procesno sistemskega pristopa. Predlagano trajanje projekta je tri leta.
Pomen za razvoj znanosti
Procesi na obnovljive vire lahko postanejo konkurenčni tistim na fosilne le s celovitim obvladovanjem vseh nivojev njihove (bio)kemijske preskrbovalne verige, tj. od surovin, (bio)reakcijskih poti do produktov, procesnih shem, celotnih podjetij in njihovih okolišev (Total Site). Osnovni izvirni znanstveni prispevek predlaganega projekta je tako celovita metodologija za trajnostno načrtovanje bioplinarn in procesov na osnovi obnovljivih virov za povečanje energijske in surovinske samozadostnosti podjetij in regij. Povezala bo laboratorijske raziskave, eksperimente na pilotnem bioreaktorju in mikroreaktorjih, optimizacijo bioplinskega procesa in prenos znanja na industrijski nivo. Raziskave bodo aplicirane na vse nivoje razvoja bioplinskih procesov, tj. postopke za predobdelavo substratov in njihovo učinkovitejšo pretvorbo v bioplin in druge zelene produkte, optimizacijo industrijskih, lokalno integriranih bioprocesov in regionalnih preskrbovalnih mrež. Takšen integrirani pristop predstavlja novost v svetovnem merilu, saj so dosedanje raziskave praviloma usmerjene k reševanju posameznih problemov pri proizvodnji obnovljive energije in ne k celovitim sistemom. Zato so poleg celovite metodologije pričakovani izvirni prispevki še naslednji:
identifikacija alternativnih, neprehranskih, energetskih rastlin in lesnih ter lignoceluloznih kemtijskih odpadkov, primernih kot vir ogljika pri anaerobni fermentaciji;
odkritja novih (bio)reakcijskih poti za predobdelavo težko razgradljivih lignoceluloznih materialov in učinkovitejšo pretvorbo živalske in rastlinske biomase v bioplin;
izraba okolju oporečnega digestata za proizvodnjo visokokvalitetnih gnojil na osnovi kompostiranja z bioogljem ali postopka do organskega mineralnega in dušičnega gnojila ob recikliranju vode, prisotne v digestatu;
določitev reakcijske kinetike in razvoj matematičnih modelov ter programskih orodij za celovito izvajanje trajnostne sinteze procesov v celotni preskrbovalni verigi na osnovi obnovljivih virov za različne substrate, ki zahtevajo različne postopke predobdelave in pogoje fermentacije;
večkriterijsko optimiranje za načrtovanje novih, učinkovitejših bioplinarn in modernizacijo obstoječih z upoštevanjem okoljskih vplivov in ocenjevanjem življenjskega cikla;
sinteza obnovljivih regionalnih omrežij za proizvodnjo in porabo energije, hrane in drugih proizvodov z uporabo matematičnega optimiranja;
toplotna integracija celotnega industrijskega okoliša in izraba nizkotemperaturne toplote za ogrevanje obratov, proizvodnjo hladu in daljinsko ogrevanje;
razvoj metodologije za maksimiranje energijske samozadostnosti obratov v kemijski, živilski in drugih procesnih industrijah na osnovi obnovljivih virov.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskava bo neposredno pripomogla k reševanju glavnih problemov, ki se pojavljajo pri izrabi obnovljivih virov. Mnogo bioplinarjev v Sloveniji se namreč sooča z velikimi finančnimi težavami, zaradi katerih so se nekatere bioplinarne ustavile, druge pa končale v rokah Družbe za upravljanje terjatev bank. Področje je bilo urejeno precej stihijsko. Osnovni problemi so neustreznost in nerazpoložljivost surovin, nizka ekonomska učinkovitost in prekomerni okoljski vplivi.
V raziskavi bomo ponudili celovite rešitve za preseganje teh problemov, ki bodo uporabne za sofinancerja Perutnino Ptuj kot tudi za preostale bioplinarje v slovenskem in evropskem prostoru. Raziskava bo prispevala k zmanjšanju emisij toplogrednih plinov, kar ustreza Kyotskemu protokolu, ciljem Evropske unije '202020' po povečanju deleža obnovljivih virov in izboljšanju ogljičnega odtisa regij ter dolgoročnim ciljem Republike Slovenije, zapisanim v Predlogu usmeritev za pripravo energetskega koncepta Slovenije (2015).
Realizacija glavnih ciljev, ki jih nameravamo doseči, predstavlja velik pomen tako za sofinancerja Perutnino Ptuj kot tudi za bolj sistematično ureditev področja obnovljivih virov v Sloveniji. Ti cilji so naslednji:
učinkovitejša izraba živalskih, kmetijskih in lesnih odpadkov za proizvodnjo zelene energije in produktov ob uporabi večfunkcijskih in neprehranskih energetskih rastlin kot vira ogljika;
zmanjšanje okoljskih bremen zaradi velike količine odpadkov v proizvodnji mesa in presnova odpadkov v koristne produkte in energijo;
integracija celotnega proizvodnega sistema z uporabo različnih obnovljivih virov;
izraba nizkotemperaturne toplote za ogrevanje obratov, pridobivanje hladu v absorbcijskih in adsorbcijskih hladilnikih in za doljinsko ogrevanje;
povečanje energijske samozadostnosti, posledično ekonomske uspešnosti in konkurenčnosti podjetij ter pospeševanje trajnostnega razvoja.
Z doseganjem navedenih ciljev pričakujemo pospešeno rast rabe obnovljivih virov, s tem pa tudi nove poslovne priložnosti in delovna mesta na področju bioekonomije. Cilji predlaganih raziskav so skladni s cilji sodelujočega podjetja. Pričakujemo, da bodo dosežki raziskav znatno pripomogli k stabilnemu in trajnostnemu razvoju podjetja, regije in države.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
