Τεχνοοικονομική μελέτη των στρατηγικών αξιοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου από την επεξεργασία αστικών λυμάτων

Abstract

Το κρίσιμο ζήτημα της επάρκειας των ορυκτών πόρων κατά τις επόμενες δεκαετίες, αλλά και της περιβαλλοντικής ρύπανσης έχουν στρέψει το παγκόσμιο ενδιαφέρον στην αναζήτηση οικονομικότερων και φιλικότερων προς το περιβάλλον πηγών ενέργειας. Η αξιοποίηση του βιο-αερίου, το οποίο παράγεται κατά την επεξεργασία στερεών και υγρών αποβλήτων και συνίσταται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό του όγκου του από μεθάνιο, αποτελεί μία οικονομικά βιώσιμη λύση, τόσο στο ζήτημα της διαχείρισης των αερίων του θερμοκηπίου, όσο και της παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε μία τεχνοοικονομική ανάλυση, κατά την οποία αξιολογήθηκαν τέσσερις στρατηγικές αξιοποίησης του βιοαερίου, που παράγεται σε μία εγκατάσταση επεξεργασίας αστικών λυμάτων μέσω αναερόβιας χώνευσης, με σκοπό την ανάδειξη της πιο συμφέρουσας, για την εγκατάσταση, εφαρμογής. Συγκεκριμένα, εξετάσθηκαν οι περιπτώσεις της παραγωγής βιο-μεθανίου και στη συνέχεια της έγχυσής του στο δίκτυο του φυσικού αερίου (1η Στρατηγική), της παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω μηχανής CCGT (2η στρατηγική), της παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας μέσω μηχανής CHP (ή ΣΗΘΕ) (3η Στρατηγική) και της παραγωγής υδρογονανθράκων μέσω της διεργασίας Fischer-Tropsch. Για την οικονομική αξιολόγηση των προτεινόμενων στρατηγικών υπολογίστηκαν η Καθαρή Παρούσα Αξία (ΚΠΑ) και η Προεξοφλημένη Περίοδος Αποπληρωμής (ΠΠΑ). Επιπροσθέτως, για τις πρώτες τρεις προτεινόμενες στρατηγικές προσδιορίστηκε το Σταθμισμένο Κόστος Ενέργειας (Levelized Cost Of Energy, LCOE), ηλεκτρικής ή θερμικής, ενώ για τις περιπτώσεις της 1ης και της 4ης Στρατηγικής υπολογίστηκαν το κόστος παραγωγής ανά MWh βιο-μεθανίου και το σταθμισμένο κόστος παραγωγής ανά τόνο προϊόντος, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας για την κάθε μία στρατηγική, ώστε να προσδιοριστεί ο βαθμός κατά τον οποίο επηρεάζονται οι παραπάνω δείκτες από τη μεταβολή (-20 έως και +20%) ορισμένων βασικών παραμέτρων, όπως οι τιμές ηλεκτρικού ρεύματος, φυσικού αερίου και EU ETS και του ετήσιου συντελεστή προσαύξησης κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Από την ανάλυση, που πραγματοποιήθηκε φαίνεται πως η πιο συμφέρουσα για την εγκατάσταση στρατηγική αποτελεί η καύση του βιοαερίου σε μηχανή ΣΗΘΕ για την παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, καθώς αυτή παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ΚΠΑ, σε σχέση με τις υπόλοιπες προτεινόμενες επενδύσεις. Αξιοσημείωτο είναι, μάλιστα, το γεγονός ότι το κόστος παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας από τη μηχανή ΣΗΘΕ είναι κατά 80% μικρότερο, σε σχέση με την τιμή αγοράς της από το δίκτυο. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της στρατηγικής αυτής αποτελεί το γεγονός ότι η βιωσιμότητά της επηρεάζεται σε πολύ μικρότερο βαθμό από παράγοντες, που μπορεί να παρουσιάσουν έντονες διακυμάνσεις ανά τα χρόνια, όπως είναι η τιμή του φυσικού αερίου ή του ηλεκτρικού ρεύματος. Συμπερασματικά, η αξιοποίηση του βιοαερίου είναι απαραίτητη, όχι μόνο για τη διαχείριση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, αλλά και για την οικονομική βιωσιμότητα της εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων.The increasing concerns regarding the long-term availability of fossil resources, coupled with the environmental impacts associated with conventional energy production, have intensified the global interest in sustainable and cost-efficient energy alternatives. Biogas, generated during the treatment of solid and liquid waste streams and primarily composed of methane, constitutes a promising renewable energy source that can contribute both to greenhouse gas mitigation and to the production of sustainable energy. This thesis presents a techno-economic assessment of alternative biogas utilization pathways for biogas produced in a municipal wastewater treatment plant through anaerobic digestion. The objective is to identify the most economically advantageous strategy for energy recovery within the facility. Four alternative utilization strategies were evaluated: (1) upgrading biogas to biomethane followed by injection into the natural gas grid; (2) electricity generation through a combined cycle gas turbine (CCGT); (3) combined heat and power (CHP) generation via cogeneration; and (4) hydrocarbon production through the Fischer–Tropsch synthesis process. The economic performance of each strategy was assessed using key financial indicators, including Net Present Value (NPV) and Discounted Payback Period (DPP). Additionally, the Levelized Cost of Energy (LCOE) was calculated for electricity and heat production in the first three strategies. For the biomethane upgrading pathway, the production cost per MWh of biomethane was estimated, while for the Fischer–Tropsch pathway the levelized production cost per ton of hydrocarbons was determined. A sensitivity analysis was conducted to evaluate the influence of variations (−20% to +20%) in critical parameters, including electricity prices, natural gas prices, EU ETS prices, and the annual escalation rate of operation and maintenance costs. The results indicate that the utilization of biogas in a CHP unit for simultaneous electricity and heat generation represents the most economically favorable option, yielding the highest NPV among the evaluated strategies. Furthermore, the cost of electricity generation from the CHP system is approximately 80% lower than the corresponding grid electricity price. In addition, the economic viability of this option appears to be less sensitive to market fluctuations in energy prices compared to the alternative pathways. Overall, the findings highlight that effective biogas utilization can significantly contribute not only to the reduction of greenhouse gas emissions but also to improving the economic sustainability and energy self-sufficiency of wastewater treatment plants.