- Είναι γνωστό ότι τα λύματα των κατοικιών προέρχονται κυρίως από το νερό πλύσης των πιάτων και των ρούχων και από τις συσκευές υγειινής (τουαλέτες, ντους και μπανιέρες). Κατά τη διάρκεια του χειμώνα σε όλες τις παραπάνω συσκευές το νερό έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία από αυτή του πόσιμου. Αυτό επιτυγχάνεται με τη τεχνητή θέρμανσή του πριν από τη χρήση (πλυντήρια πιάτων και ρούχων, ντους και μπανιέρα) είτε με τη φυσική θέρμανσή του λόγω της παραμονής του σε ζεστό χώρο. Σχηματικά μπορεί να ειπωθεί ότι το πόσιμο νερό εισέρχεται κρύο στο σπίτι και φεύγει ζεστό. Επομένως τα λύματα που κινούνται στο δίκτυο της αποχέτευσης έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη από αυτήν του περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Το αντίθετο συμβαίνει το καλοκαίρι κατά τη διάρκεια του οποίου τα λύματα του δικτύου αποχέτευσης έχουν θερμοκρασία μικρότερη από αυτήν του περιβάλλοντος. Αυτό σημαίνει ότι η επί πλέον θερμότητα των λυμάτων κατά το χειμώνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση των κτιρίων ενώ το καλοκαίρι τα λύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ψύξη των κτιρίων.
Η τεχνολογία της χρήσης των λυμάτων για θέρμανση και ψύξη έχει κάνει ήδη τα πρώτα της βήματα σε χώρες της Δ. Ευρώπης. Αυτό επιτυγχάνεται με εναλλάκτες και αντλίες θερμότητας. Οι εναλλάκτες μπορούν να τοποθετηθούν είτε μέσα στους αγωγούς αποχέτευσης είτε στην έξοδο των λυμάτων από τις μονάδες επεξεργασίας. Η χρήση των λυμάτων των αγωγών αποχέτευσης έχει το πλεονέκτημα ότι οι αγωγοί βρίσκονται μέσα στις πόλεις, δίπλα σε κατοικίες ή δημόσια κτίρια, και έτσι οι απώλειες κατά τη μεταφορά της θερμότητας είναι μικρές. Οι μονάδες επεξεργασίας λυμάτων βρίσκονται συνήθως μακριά από κατοικημένες περιοχές και η μεταφορά της θερμότητας πίσω στις κατοικημένες περιοχές συνοδεύεται από μεγαλύτερες απώλειες.
Μια πιλοτική μονάδα λειτουργεί στην κοινότητα Zwingen της περιοχής Basel της Ελβετίας. Ένας εναλλάκτης θερμότητας μήκους 10 μέτρων έχει τοποθετηθεί στον κεντρικό αγωγό αποχέτευσης και μια αντλία θερμότητας μεταφέρει ζεστό νερό για την θέρμανση 31 κατοικιών της κοινότητας. Έτσι καλύπτονται κατά 70 % οι ανάγκες σε θέρμανση ενώ το υπόλοιπο 30 % καλύπτεται με την καύση φυσικού αερίου. Μια μεγαλύτερη μονάδα λειτουργεί στο Wipkingen στη Ζυρίχη από το 1999. Από τη μονάδα αυτή θερμαίνονται 800 κατοικίες και έτσι εξοικονομούνται 500000 λίτρα πετρελαίου ετησίως. Οι μονάδες αυτές είναι οικονομικά βιώσιμες μόνο για αγωγούς αποχέτευσης που εξυπηρετούν τουλάχιστον 3000 κατοίκους. Στην Ελβετία έχει υπολογιστεί ότι το 5 % των κατοικιών μπορούν να θερμανθούν με αυτή τη μέθοδο. Υπενθυμίζεται εδώ ότι τα έργα αυτά έχουν και έντονο οικολογικό χαρακτήρα διότι συμβάλλουν στην μείωση των εκπομπών CO2 και άλλων ρύπων στην ατμόσφαιρα και εντάσσονται στη γενικότερη προσπάθεια καταπολέμησης του φαινομένου του θερμοκηπίου.
- Πίσω από τους χωνευτές της λάσπης του βιολογικού καθαρισμού στο Yonkers της Νέας Υόρκης βρίσκεται ένα μεγάλο γκρίζο κουτί. Το κουτί αυτό μετατρέπει αθόρυβα το βιοαέριο, που παράγεται από τη λάσπη, σε ηλεκτρικό ρεύμα και θερμότητα. Όσοι ασχολούνται με την τεχνολογία της επεξεργασίας των λυμάτων γνωρίζουν ότι από την αναερόβια χώνευση της λάσπης των βιολογικών καθαρισμών παράγεται βιοαέριο το οποίο χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Πρόκειται για τεχνολογία γνωστή εδώ και χρόνια. Γεννάται επομένως το ερώτημα. Τι το ιδιαίτερο έχει η μονάδα της Νέας Υόρκης και αξίζει ιδιαίτερη αναφορά; Η απάντηση είναι ότι η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας και της θερμότητας γίνεται χωρίς την καύση του βιοαερίου και με μοναδικά παραπροϊόντα διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Πρόκειται για μια κυψελίδα καυσίμου (fuel cell) μια τεχνολογία που αποτελεί επανάσταση στο χώρο της παραγωγής ενέργειας.
Η κυψελίδα καυσίμου (fuel cell) είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή η οποία μετατρέπει τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική και θερμότητα χωρίς καύση. Καταναλώνει το καύσιμο όπως μια συνηθισμένη μηχανή και παράγει ηλεκτρικό ρεύμα όπως η μπαταρία. Ως καύσιμο χρησιμοποιείται υδρογόνο. Η συσκευή αποτελείται, όπως η μπαταρία, από δυο ηλεκτρόδια (άνοδο και κάθοδο) και ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης βρίσκεται μεταξύ των ηλεκτροδίων και έχει την ιδιότητα να επιτρέπει την διέλευση των ιόντων και να εμποδίζει την διέλευση των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόδια αποτελούνται από πορώδες υλικό και απορροφούν τα αέρια (υδρογόνο και οξυγόνο) όπως το σφουγγάρι απορροφάει το νερό. Η αρχή λειτουργίας είναι η εξής. Το υδρογόνο (καύσιμο) εισέρχεται στην άνοδο και το οξυγόνο (αέρας) στην κάθοδο. Με τη βοήθεια του καταλύτη της ανόδου τα άτομα του υδρογόνου διασπώνται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια διέρχονται από τον καταλύτη και φτάνουν στην κάθοδο ενώ τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινηθούν έξω από τη συσκευή πριν φτάσουν ξανά στην κάθοδο. Η παράπλευρη κίνηση των ηλεκτρονίων πριν φτάσουν ξανά στην κάθοδο δημιουργεί το εκμεταλλεύσιμο ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν τα ηλεκτρόνια φτάνουν στην κάθοδο, με τη βοήθεια του ηλεκτρολύτη της καθόδου, ενώνονται με τα πρωτόνια του υδρογόνου και το οξυγόνο και έτσι παράγεται καθαρό νερό ενώ συγχρόνως εκλύεται θερμότητα. Η συσκευή δεν έχει κινούμενα μέρη. Η απόδοση είναι 40 % και μπορεί να φτάσει θεωρητικά το 85 % αν ληφθεί υπ όψιν και η παραγωγή θερμότητας. Υπενθυμίζεται ότι στις 16 Απριλίου του 2003 κυκλοφόρησαν στο Ρέυκιαβικ της Ισλανδίας τα πρώτα ηλεκτρικά λεωφορεία που χρησιμοποιούν κυψελίδες υδρογόνου.
Το υδρογόνο που απαιτείται για τη λειτουργία της συσκευής μπορεί να εξαχθεί από διάφορα καύσιμα όπως είναι το φυσικό αέριο, η αιθανόλη που παράγεται από τη βιομάζα καθώς και το βιοαέριο που παράγεται στους ΧΥΤΑ και στις μονάδες χώνευσης της λάσπης των μονάδων επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Η κυψελίδα καυσίμου που λειτουργεί στο Yonkers της Νέας Υόρκης έχει ισχύ 200 kW και είναι η πρώτη στις ΗΠΑ που χρησιμοποιεί ως καύσιμο το βιοαέριο που παράγεται από τη λάσπη βιολογικού καθαρισμού. Η πρώτη κυψελίδα καυσίμου στην Ευρώπη που χρησιμοποιεί ως καύσιμο το βιοαέριο που παράγεται από τη λάσπη βιολογικού καθαρισμού εγκαταστάθηκε στο Rodenkirchen της Κολωνίας. Έχει ηλεκτρική ισχύ 200 kW (απόδοση 40 %) και θερμική ισχύ 205 kW (απόδοση 45 %). Η πρώτη αντίστοιχη μονάδα στην Ιαπωνία εγκαταστάθηκε το 2003 στο βιολογικό καθαρισμό της πόλης Fukuoka με ισχύ 250 kW.
Οι κυψελίδες καυσίμου εκτός από οικονομικά επωφελείς είναι και πολύ φιλικές στο περιβάλλον επειδή παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς καύση. Υπενθυμίζεται εδώ ότι η συμβατική μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται στην καύση είτε φυσικού αερίου, είτε πετρελαίου, είτε κάρβουνου. Αν το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα από την κυψελίδα καυσίμου στο Rodenkirchen της Κολωνίας παράγονταν με καύση άνθρακα τότε η αέρια ρύπανση σε διοξείδιο του άνθρακα θα ήταν 1000 τόνοι ετησίως. Επομένως οι κυψελίδες καυσίμου συμβάλλουν σημαντικά στον περιορισμό του φαινομένου του θερμοκηπίου.
Αστέριος Παντοκράτορας
Καθηγητής της Πολυτεχνικής Σχολής Ξάνθης
e-mail:apantokr@civil.duth.gr