太陽熱を利用したバイオソリッドからの肥料用窒素実証コンソーシアム

投稿日2022年12月17日2022年12月19日作成者

バイオソリッドから肥料用の窒素を製造するために、現在の土地利用地域の近くに設置されるミラーのソーラーフィールドのレイアウト – 太陽熱エネルギーを利用してバイオソリッドを乾燥させる 画像@Ryan Shininger、Solar Dynamics

来年、アメリカン・インフラストラクチャー・ホールディングスLLCが主導するソーラー・ダイナミクスやアンドリッツ・セパレーションを含むコンソーシアムは、ニューメキシコ州アルバカーキにパイロット施設を建設し、太陽熱を利用してバイオソリッドから粒状肥料を製造する新しい乾燥技術を実証する予定だ。

化石燃料は、肥料用の窒素とリン酸塩を製造する現在の方法で使用されています。化石燃料は、硝酸アンモニウム肥料の製造プロセスの一環として、リン酸塩岩を採掘して粉砕するか、高温で燃焼して空気中の窒素を化学反応させるために使用されます。

工業プロセスにおける化石燃料の熱を代替することは、世界の次なる大きな課題の 1 つです。 私たちの気候を不安定にしている排出量の 3 分の 1 は、化石燃料を燃料とする産業用熱によるものです。

Solar Dynamics は、乾燥機に熱を供給するためにソーラー システムを供給します。 同社はすでに太陽熱プロセスの設計と計算シミュレーションを行う資金を調達しており、現在、アルバカーキ・ベルナリージョ郡水道事業局の水再生処理プラントからのバイオソリッドから供給される乾燥システムと太陽熱エネルギーシステムを統合する太陽光発電所を建設する準備が整っている。肥料として商業販売するための窒素顆粒を製造します。

「現在、この工場のバイオソリッドの約 70% が土地に適用されています」とソーラー ダイナミクスのシニア エンジニア、ライアン シャニンジャー氏は説明します。 「このパイロットプロジェクトでは、現在陸上散布されているものの半分を使用します。これが成功すれば、プラントを2倍にして残りのバイオソリッドを処理し、地上散布がまったく行われないようにする予定です。」

現在、リサイクルされるのはバイオソリッドの 30% だけです。木材チップやその他の有機材料と混合して堆肥として地元の農場、公園、野球場、その他の景観地域に販売したり、荒廃した土地を修復するための土壌改良材として販売したりしています。 米国が肥料に使用される窒素の半分以上を輸入し、窒素、リン、微量栄養素が豊富なバイオソリッドを廃棄しているのは明らかにナンセンスです。

バイオソリッドを土地に処分するのではなく、粒状肥料としてアップサイクルすることには価値があります。 80％が水分であるバイオソリッドは、時には数百マイル離れたところまで運ばれ、埋め立て地に捨てられたり、土地に耕されたりする。 この廃棄プロセスは連邦およびほとんどの州の環境法に準拠していますが、環境的には最適ではありません。

太陽熱プロセスは、廃棄バイオソリッドから窒素ペレットを作成します IMAGE@Ryan Shininger、Solar Dynamics

これはアルバカーキには当てはまりませんが、場所によっては土地利用により栄養塩が地元の水路に流出し、地下水に浸透する可能性があります。 さらに重要なことは、バイオソリッドの土地処分では、メタン、CO2、NOx などの温室効果ガスが発生することです。

「多くの場所で」と同氏は指摘した、「たとえ生のバイオソリッドが作物を育てるために土地に施用されているとしても、それは依然として廃棄戦略であり、不適切に管理されれば一度に過剰な量の窒素とリンを加えることになる可能性がある。植物は一部を使用するが、 「しかし、残りは無駄になります。栄養分が水路に流れ込むと、酸素が存在せず、何も生息できない『デッドゾーン』が生じる可能性があります。」

地政学的な利点もあります。 食料生産に不可欠なこれらの肥料ミネラルの世界市場における最近のショックを考慮すると、都市バイオソリッドから国内でそれらをリサイクルすることで、潜在的に不安定な海外供給源からの輸入への依存を減らすことができます。

「しかし、これはウクライナ戦争以前の問題だ」とシャニンジャー氏は指摘した。 「米国政府はすでに国内の肥料生産量を増やそうとする取り組みを行っている。現在、米国で使用されている肥料の50パーセント以上が輸入されており、そのほとんどは中国かロシアからの輸入だ。しかし明らかに戦争は、システムにさらなるストレスを与えています。」

Solar Dynamics のパラボラ トラフ コレクターと熱エネルギー貯蔵装置の太陽熱フィールドは、太陽熱フィールドからの温水で乾燥機内の空気を加熱するように適合された商用乾燥機に接続されます。

Solar Dynamics の SunBeamTM パラボリック トラフ コレクターの太陽フィールドが乾燥機に熱エネルギーを供給します。

通常は天然ガスから発生するこの熱は、代わりに、水を 200°C まで加熱する Solar Dynamics の SunBeamTM パラボラ トラフ コレクターの太陽フィールドからの反射太陽光によって生成されます。 太陽熱集熱器の性能はパイロット施設によって証明される予定です。

このプロジェクトは、Solar Dynamics SunBeam コレクターの最初の商用設置となります。 Solar Dynamics は、米国エネルギー省 (DOE) の太陽エネルギー技術局から資金提供を受け、DOE からの資金提供を受けて開発された太陽光発電技術の実証を支援しています。

熱エネルギーの貯蔵により、乾燥機の稼働時間が日中の時間だけを超えて延長され、乾燥機の利用率が向上し、全体的な経済性が向上します。 この蓄えられた太陽エネルギーは、断続的な曇りを和らげ、比較的容易に達成される気温を安定させます。

LPG 業界で使用されている市販のタンクは長さ約 40 メートル、直径約 3 メートルで、内部バッフルを使用して熱躍層として動作し、乾燥機を加熱するために熱水をプラントに運びます。 冷水は再加熱するために太陽エネルギー場に戻されます。 システムが機能するためには、サーモクラインが完璧に機能する必要はありません。 この場合、バイオソリッド乾燥機の柔軟性により、ある程度の混合は問題になりません。 発電所とは大きく異なります。

この施設は規模を縮小した試験運用ではあるが、少なくとも 20 年間は商業的に稼働できるように構造化されている。 このプロジェクトには、乾燥機と肥料混合システムの建設に資金を提供するための株式投資が必要です。 民間投資は、バイオソリッドのチップ料金と肥料の販売を組み合わせて返済されます。

「ソーラー・ダイナミクスはその面ではあまり関与していない」とシャニンジャー氏は語った。 「当社のパートナーであるアメリカン・インフラストラクチャー・ホールディングスは、資本の調達と肥料販売の縮小に責任を負っています。肥料市場は主にスポット価格に基づいているため、肥料販売は少し困難です。したがって、25年間の肥料を得るのと同じではありません」 CSP の電気の契約では、その間に支払われる金額が正確にわかります。」

米国で生成されるすべてのバイオソリッドのうち、何らかの肥料として使用されるのはわずか約 2% です。 市場は始まったばかりで、このアルバカーキのプロジェクトは、太陽熱エネルギーとバイオソリッドの乾燥を統合して商用肥料を製造する国内初のプロジェクトです。 シャニンジャー氏は、「このプロセスを適用する機会は全米や世界中に数多くあると考えている。そのため、試験的にそれを実証し、米国全土で迅速に導入できることを楽しみにしている」と語った。

この太陽光発電プロセスが証明されれば、ゼロエミッション肥料製造のデフォルト技術となる可能性がある。 バイオソリッドベースの肥料は、最近高騰した窒素価格を安定させ、今後も安定した状態に保つのに役立ちます。 さらに、国内の肥料供給の増加は健全な貿易バランスをサポートし、食料安全保障の確保に役立ちます。

「率直に言って、太陽光発電によるバイオソリッドベースの肥料生産の明らかな経済的、環境的、社会的利点を考慮すると、なぜこれをまだ実行していないのか理解するのは難しい」とシャニンジャー氏は述べた。このパイロットの成功です。」

SolarPACES のタスク:タスク IV 産業プロセスにおける太陽熱の統合

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