ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΣΜΕΥΣΕΙΣ

Transcript

1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΚΑ ΗΜΙΑ ΑΘΗΝΩΝ Ε.Μ.Π. Κ.Α.Π.Ε. Αθήνα 4 Απριλίου 28 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΣΜΕΥΣΕΙΣ Ελένη Ηρακλέους *, Άγγελος Λάππας, Στέλλα Μπεζεργιάννη, Ιάκωβος Α. Βασάλος Ινστιτούτο Τεχνικής Χηµικών ιεργασιών (ΙΤΧΗ ), Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ), 6 ο χλµ. Χαριλάου-Θέρµης, Τ.Θ. 3651, 571 Θεσ/νικη * eheracle@cperi.certh.gr, web page: Keywords: βιοκαύσιµα 2 ης γενιάς, Ανάλυση Κύκλου Ζωής, κατανάλωση ορυκτής ενέργειας, εκποµπές αερίων θερµοκηπίου, καταλυτική πυρόλυση βιοµάζας, υδρογονοκατεργασία κηρών Fischer-Tropsch Περίληψη. Η µείωση των ορυκτών αποθεµάτων και η ανησυχία για τις κλιµατικές αλλαγές έχουν δηµιουργήσει µια ταχύτατα αναπτυσσόµενη αγορά βιοκαυσίµων. Εµπορικά βιοκαύσιµα σήµερα είναι τα βιοκαύσιµα 1 ης γενιάς, αιθανόλη και βιοντίζελ. Τον τελευταίο καιρό εκφράζονται σηµαντικές ανησυχίες ως προς την αειφορία των βιοκαυσίµων αυτών. Το µέλλον βρίσκεται στα βιοκαύσιµα 2 ης γενιάς, από µη βρώσιµη λιγνοκυτταρινούχα βιοµάζα, τα οποία προσφέρουν σηµαντικά υψηλότερες αποδόσεις ανά καλλιεργήσιµη γη και δραστικότερη µείωση στις εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου σε όλο τον κύκλο ζωής του καυσίµου. Η Ανάλυση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) αποτελεί πολύτιµο εργαλείο για τη σφαιρική αξιολόγηση των βιοκαυσίµων, η εφαρµογή του οποίου µπορεί να µας οδηγήσει στη βέλτιστη περιβαλλοντικά επιλογή. Η έρευνα στο ΙΤΧΗ προσανατολίζεται σε νέες πρωτοποριακές τεχνολογίες παραγωγής βιοκαυσίµων, που βασίζονται σε θερµοκαταλυτικές διεργασίες, µε ιδιαίτερα ευνοϊκό περιβαλλοντικό προφίλ. (Α) Καταλυτική πυρόλυση βιοµάζας: Ταχεία πυρόλυση βιοµάζας παρουσία κατάλληλων καταλυτών για την παραγωγή βιοελαίου υψηλότερης ποιότητας; (Β) Υδρογονοδιάσπαση κηρών Fischer-Tropsch που παράγονται από τη διεργασία Biomass to Liquids (BTL): Παραγωγή υψηλής ποιότητας καυσίµων κίνησης και κυρίως ντίζελ µέσω ήπιας υδρογονοκατεργασίας των κηρών FT. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσµατα από πειράµατα που έγιναν σε µονάδα πιλοτικής κλίµακας για τις διεργασίες που προαναφέρθηκαν, ενώ παρουσιάζεται και η αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των παραγόµενων βιοκαυσίµων µε τη µέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ). Η ΑΚΖ καταδεικνύει τις µεγάλες µειώσεις που µπορούµε να επιτύχουµε στην κατανάλωση ορυκτής ενέργειας και εκποµπές αερίων θερµοκηπίου µε τα βιοκαύσιµα αυτά. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η µείωση των ορυκτών αποθεµάτων, η αυξανόµενη ανησυχία για τις κλιµατικές αλλαγές, καθώς και η ανάγκη για ενεργειακή ανεξαρτητοποίηση, έχουν στρέψει το παγκόσµιο ενδιαφέρον στην ανάπτυξη και χρήση εναλλακτικών βιοκαυσίµων, µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία µιας ταχύτατα αναπτυσσόµενης αγοράς βιοκαυσίµων. Τα τελευταία πέντε χρόνια, ο ετήσιος ρυθµός αύξησης της παγκόσµιας παραγωγής βιοκαυσίµων άγγιξε το 15%, ενώ αναµένεται η παραγωγή του 25 (22Mtoe) να διπλασιαστεί ως το 215 [1]. Εµπορικά διαθέσιµα βιοκαύσιµα σήµερα είναι τα λεγόµενα βιοκαύσιµα 1 ης γενιάς. Τα βιοκαύσιµα αυτά είναι η αιθανόλη παραγόµενη κυρίως από καλαµπόκι και ζαχαροκάλαµο για χρήση σε βενζινοκινητήρες και το βιοντίζελ (µεθυλεστέρες λιπαρών οξέων) από φυτικά έλαια για χρήση αντίστοιχα σε κινητήρες ντίζελ. Παρ όλη την πολιτική στήριξη και δηµοτικότητα των βιοκαυσίµων ως η λύση στο καυτό πρόβληµα της υπερθέρµανσης του πλανήτη, τον τελευταίο καιρό εκφράζονται σηµαντικές ανησυχίες ως προς την αειφορία των βιοκαυσίµων 1 ης γενιάς, µε βάση το γνωστό δίληµµα «τροφή ή καύσιµα», φόβους για αποψίλωση δασών και διάβρωση των εδαφών από την εντατική καλλιέργεια, επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα εξαιτίας των µονοκαλλιεργειών, ρύπανση του υδροφόρου ορίζοντα από την εκτεταµένη χρήση λιπασµάτων κλπ. Μεγαλύτερες προοπτικές εµφανίζουν τα βιοκαύσιµα 2 ης γενιάς, τα οποία παράγονται από µη βρώσιµη λιγνοκυτταρινούχα βιοµάζα, όπως η λιγνοκυτταρινούχα αιθανόλη, το βιοέλαιο πυρόλυσης, τα συνθετικά καύσιµα BTL κ.α. Τα βιοκαύσιµα αυτά φαίνεται να προσφέρουν σηµαντικά υψηλότερες αποδόσεις ανά µονάδα καλλιεργήσιµης γης και δραστικότερη µείωση στις εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου σε όλο τον κύκλο ζωής του καυσίµου. Η αειφορία των βιοκαυσίµων αποτελεί πρωταρχική προτεραιότητα - και µε τον όρο αειφορία εννοούµε όλες τις περιβαλλοντικές, οικονοµικές και κοινωνικές διαστάσεις που εµπλέκονται στην παραγωγή των βιοκαυσίµων σε όλα τα στάδια ζωής του προϊόντος, από την καλλιέργεια της βιοµάζας µέχρι και τη χρήση στον τελικό καταναλωτή. Η µέθοδος της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) είναι ένα αναγκαίο και πολύτιµο εργαλείο για τη σφαιρική αξιολόγηση των βιοκαυσίµων, η εφαρµογή της οποίας µπορεί να µας οδηγήσει σε µια αειφόρο και βέλτιστη περιβαλλοντικά επιλογή βιοκαυσίµου. Λαµβάνοντας υπόψη όλες τις παραπάνω παραµέτρους, η έρευνα στο Εργαστηρίου Περιβαλλοντικών Καυσίµων και Υδρογονανθράκων (ΕΠΚΥ) του Ινστιτούτου Τεχνικής Χηµικών ιεργασιών (ΙΤΧΗ )

2 προσανατολίζεται σε νέες πρωτοποριακές τεχνολογίες παραγωγής βιοκαυσίµων 2 ης γενιάς, που βασίζονται σε θερµοκαταλυτικές διεργασίες και η αξιολόγηση των οποίων µε ΑΚΖ κατέδειξε τις µεγάλες µειώσεις που µπορούν να επιτευχθούν σε κατανάλωση ορυκτής ενέργειας και εκποµπές αερίων θερµοκηπίου. Η παρούσα εργασία αναφέρεται στις εξής διεργασίες: (α) Καταλυτική πυρόλυση βιοµάζας: Η ταχεία πυρόλυση βιοµάζας σε αδρανή ατµόσφαιρα έχει ως αποτέλεσµα την παραγωγή υγρού βιοελαίου σε πολύ υψηλές αποδόσεις. Τα συµβατικά πυρολυτικά βιοέλαια έχουν χρησιµοποιηθεί σε λέβητες και φούρνους και κάποιες φορές και σε µηχανές ντίζελ κυρίως για την παραγωγή θερµότητας ή ηλεκτρισµού [2],[3]. Το βιοέλαιο αποτελεί επίσης σηµαντική πηγή ανανεώσιµων χηµικών ενώσεων, παρόλα αυτά δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως έχει ως καύσιµο κίνησης χωρίς να προηγηθεί κάποιο στάδιο αναβάθµισης. Αυτό οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητά του σε οξυγόνο (4-5%) και νερό (15-3%), στην περιορισµένη σταθερότητα και στην υψηλή οξύτητα [3]. Η αναβάθµιση του βιοελαίου σε καύσιµο µε βελτιωµένες ιδιότητες µπορεί να γίνει είτε µε in-situ διεργασίες (µέσα στον αντιδραστήρα πυρόλυσης) είτε µε επιπρόσθετες διεργασίες µετά τον αντιδραστήρα (downstream). Η in-situ αναβάθµιση του βιοελαίου γίνεται µε αντικατάσταση της αδρανής άµµου πυριτίας που χρησιµοποιείται συνήθως ως µέσο µεταφοράς θερµότητας µε κάποιο εκλεκτικό καταλύτη που στοχεύει στην καταλυτική αναβάθµιση των ατµών που παράγονται από την πυρόλυση της βιοµάζας. Από την περιορισµένη βιβλιογραφία στην περιοχή αυτή φαίνεται ότι η καταλυτική πυρόλυση οδηγεί στην παραγωγή βιοελαίου βελτιωµένης ποιότητας, µε µεγαλύτερη όµως περιεκτικότητα σε νερό και αυξηµένη παραγωγή στερεού παραπροϊόντος [4],[5],[6]. Φαίνεται επίσης ότι ο τύπος του καταλύτη µπορεί να επηρεάσει σηµαντικά τόσο την ποσότητα όσο και την ποιότητα του παραγόµενου βιοκαυσίµου. Στο ΙΤΧΗ µελετήθηκε η παραγωγή βιοελαίου µε βελτιωµένες ιδιότητες µέσω ταχείας πυρόλυσης βιοµάζας παρουσία ζεολιθικών καταλυτών τύπου FCC. (β) Υδρογονοδιάσπαση κηρών Fischer-Tropsch που παράγονται από τη διεργασία Biomass to Liquids (BTL): Τα συνθετικά καύσιµα που παράγονται από βιοµάζα µέσω των διεργασιών της εξαερίωσης και της Fisher- Tropsch παρουσιάζουν σήµερα ιδιαίτερα υψηλό ενδιαφέρον. Τα καύσιµα αυτά ονοµάζονται BTL καύσιµα και είναι καύσιµα (κυρίως ντίζελ άλλα και βενζίνη) αρίστης ποιότητας. Η συνολική διεργασία ερευνάται σήµερα στην Ευρώπη στα πλαίσια ενός µεγάλου ερευνητικού προγράµµατος που συντονίζει η VW (RENEW). Κατά τη διεργασία BTL ένα σηµαντικό µέρος της αρχικής βιοµάζας µετατρέπεται τελικά σε µίγµα στερεών παραφινών (κηρών, wax) πολύ υψηλών µοριακών βαρών. Σκοπός της έρευνας που διεξάγεται στο ΙΤΧΗ /ΕΚΕΤΑ είναι η µετατροπή (αναβάθµιση) αυτών των βαριών παραφινών σε συνθετικό ντίζελ και βενζίνη υψηλής ποιότητας. Στα πλαίσια αυτά, αξιολογήθηκαν διάφοροι εµπορικά διαθέσιµοι καταλύτες υδρογονοδιάσπασης ως προς τη δυνατότητα παραγωγής υψηλής ποιότητας καυσίµων κίνησης και κυρίως ντίζελ µέσω ήπιας υδρογονοκατεργασίας των κηρών FT. Στην παρούσα εργασία θα αναφερθούν αποτελέσµατα από πειράµατα που έγιναν σε µονάδες πιλοτικής κλίµακας για τις διεργασίες που προαναφέρθηκαν, ενώ θα παρουσιαστούν και στοιχεία που αφορούν την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των παραγόµενων βιοκαυσίµων µε τη µέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1. Καταλυτική πυρόλυση βιοµάζας παρουσία ζεολιθικών καταλυτών τύπου FCC Τροφοδοσία και καταλυτικά υλικά Στη παρούσα µελέτη χρησιµοποιήθηκαν ως τροφοδοσία για τα πειράµατα πυρόλυσης (καταλυτικά και µη) δασικά υπολείµµατα από ξύλο οξιάς. Η στοιχειακή ανάλυση της βιοµάζας επί ξηρού (%κ.β.) ήταν: C=49.41, H=6.73, N=.16, O=42.96, Τέφρα=.54 %κ.β. Η βιοµάζα είχε περιεχόµενη υγρασία 8.25 %κ.β., ενώ η ανώτερη θερµογόνος δύναµη (GHV) ήταν ΜJ/kg. Ως µέσο µεταφοράς θερµότητας χρησιµοποιήθηκε για τα µηκαταλυτικά πειράµατα άµµος πυριτίας (µέγεθος σωµατιδίων: 1-25µm, πυκνότητα: 1.56 g/ml), ενώ για τα καταλυτικά πειράµατα καταλύτης ισορροπίας FCC (µέγεθος σωµατιδίων: 5-18µm, πυκνότητα:.96 g/ml, ειδική επιφάνεια: m 2 /g, ζεολιθική επιφάνεια: 58.5 m 2 /g, µέγεθος µοναδιαίας κυψελίδας: 24.26Å, Ni: 15ppm, V: 367ppm). Μονάδα καταλυτικής πυρόλυσης βιοµάζας Η πιλοτική µονάδα καταλυτικής πυρόλυσης βιοµάζας του ΙΤΧΗ παρουσιάζεται διαγραµµατικά στο Σχήµα 1. Η µονάδα είναι πλήρως αυτοµατοποιηµένη και αποτελείται από το τµήµα τροφοδοσίας της βιοµάζας και του στερεού, τον αντιδραστήρα και το τµήµα ανάκτησης των προϊόντων. Το τµήµα τροφοδοσίας της βιοµάζας περιλαµβάνει µια κυλινδρική χοάνη 4 λίτρων και µια κοχλιωτή αντλία, η οποία ρυθµίζει τη ροή της βιοµάζας στον αντιδραστήρα. Το τµήµα τροφοδοσίας στερεού περιλαµβάνει έναν αναγεννητή ρευστοστερεάς κλίνης, όγκου 3 λίτρων. Ο αναγεννητής χρησιµοποιείται για την αναγέννηση του χρησιµοποιηµένου καταλύτη και παρέχει κατ επέκταση τη θερµότητα που απαιτείται για την πραγµατοποίηση των ενδόθερµων αντιδράσεων πυρόλυσης. Ο αναγεννητής συνδέεται µε τον αντιδραστήρα µέσω µιας θερµαινόµενης γραµµής και µιας

3 Σχήµα 1. Πιλοτική µονάδα καταλυτικής πυρόλυσης βιοµάζας του ΙΤΧΗ Ε. Ηρακλέους, Α. Λάππας, Σ. Μπεζεργιάννη και Ι.Α. Βασάλος. εµβολοειδής βαλβίδας που ρυθµίζει την ροή του καταλύτη προς τον αντιδραστήρα κατά τη διάρκεια του πειράµατος. Ο αντιδραστήρας αποτελείται από τη ζώνη ανάµιξης και έναν ανοδικό αντιδραστήρα (riser). Η ζώνη ανάµιξης είναι κατάλληλα σχεδιασµένη ώστε να επιτυγχάνει την απευθείας ανάµιξη του θερµού καταλύτη µε τα σωµατίδια της βιοµάζας. Ο ανοδικός αντιδραστήρας είναι ένας κάθετος σωλήνας 5m µε εσωτερική διάµετρο 6.2 mm. Τα στερεά και αέρια προϊόντα που εξέρχονται από τον αντιδραστήρα, εισέρχονται σε κυκλώνα όπου γίνεται ο διαχωρισµός των στερεών σωµατιδίων. Το τµήµα ανάκτησης των υγρών προϊόντων περιλαµβάνει ένα εναλλάκτη θερµότητας 3m που ψύχεται µε αέρα και ένα σταθεροποιητή υγρών. Λεπτοµερής περιγραφή της µονάδας και της διαδικασίας ανάλυσης και χαρακτηρισµού των προϊόντων δίνεται στο [6] Υδρογονοδιάσπαση κηρών Fischer-Tropsch που παράγονται από τη διεργασία Biomass-to-Liquids Τροφοδοσία και καταλυτικά υλικά Η τροφοδοσία που χρησιµοποιήθηκε για τα πειράµατα ήταν κηρός που παρήχθη µέσω µιας διεργασίας F-T χαµηλής θερµοκρασίας. Μερικές χαρακτηριστικές ιδιότητες αυτής της τροφοδοσίας είναι: API=45.36, S=3.9ppmw, Ν=5ppmw. Ανάλυση του κηρού µε αέρια χρωµατογραφία GC/MS έδειξε ότι η τροφοδοσία είναι ιδιαίτερα παραφινική µε υδρογονάνθρακες έως και C4. Το σηµείο τήξης του κεριού ήταν 6 C. Για την αναβάθµιση του κηρού χρησιµοποιήθηκαν τρεις βιοµηχανικοί καταλύτες υδρογονοδιάσπασης µε ενεργό συστατικό ευγενές µέταλλο. Πιλοτική µονάδα υδρογονοκατεργασίας Oil P52 H 2 R11 V91 Σχήµα 2. Πιλοτική µονάδα υδρογονοκατεργασίας του ΙΤΧΗ Gas Product Liquid Product Για τη µελέτη της διεργασίας υδρογονοπυρόλυσης κηρών, πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα σε υπάρχουσα πιλοτική µονάδα υδρογονοαποθείωσης (HDS) (Σχήµα 2). Αυτή η µονάδα σχεδιάστηκε αρχικά για αποθείωση των κλασµάτων πετρελαίου, οπότε έγιναν κάποιες τροποποιήσεις σε αυτήν προκειµένου να µπορεί να λειτουργήσει χωρίς επίβλεψη µε την τροφοδοσία κηρού. Οι τροποποιήσεις της µονάδας περιλάµβαναν µια νέα αντλία κατάλληλη για τα µεγάλα ιξώδη κηρών, θέρµανση της αντλίας και των σωληνώσεων, τροποποιήσεις στο σύστηµα διαχωρισµού, βοηθητικό σύστηµα τροφοδοσίας για την περίπτωση έκτακτης ανάγκης (π.χ. απόφραξη) καθώς και αντλίες ανακυκλοφορίας ή και προανάµιξης του κεριού µε µέσο αραίωσης ή προθείωσης (για την ενεργοποίηση των καταλυτών). Ο αντιδραστήρας της µονάδας είναι σταθερής κλίνης (95.5 cm µήκος x 2.8 cm εσωτ. διάµετρος) µε δυνατότητα λειτουργίας σε θερµοκρασίες µέχρι 55 C και πιέσεις µέχρι 15atm. Το υδρογόνο εισάγεται στον αντιδραστήρα µέσω ενός κατάλληλου συστήµατος τροφοδοσίας, ενώ η υγρή τροφοδοσία (κηρός) µέσω µιας αντλίας. Το προϊόν του αντιδραστήρα ψύχεται από έναν εναλλάκτη διπλού σωλήνα και οδηγείται σε διαχωριστή όπου διαχωρίζονται το αέριο από το υγρό ρεύµα. Τα υγρά και αέρια προϊόντα αναλύθηκαν πλήρως στις αναλυτικές εγκαταστάσεις του ΙΤΧΗ. Η πιλοτική µονάδα έχει ένα πλήρες σύστηµα συναγερµών και προστασίας (ανιχνευτές), είναι πλήρως αυτοµατοποιηµένη και λειτουργεί µε τη βοήθεια ενός υπολογιστή που συνδέεται µε σύστηµα αυτόµατου ελέγχου. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1. Καταλυτική πυρόλυση βιοµάζας παρουσία ζεολιθικών καταλυτών τύπου FCC Πειραµατικά αποτελέσµατα καταλυτικής πυρόλυσης βιοµάζας Η συνολική απόδοση σε παραγόµενα υγρά προϊόντα στο πειραµατικό σύστηµα που περιγράφηκε κυµαίνεται, στη περίπτωση της θερµικής πυρόλυσης, µεταξύ % κ.β. (µε βάση την εισαγόµενη τροφοδοσία) ανάλογα µε τις πειραµατικές συνθήκες και το είδος της τροφοδοσίας [6]. Οι αποδόσεις αυτές βρίσκονται ανάµεσα στις υψηλότερες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για µονάδες πυρόλυσης ρευστοστερεάς κλίνης [2] και αποδίδονται σε ορισµένα χαρακτηριστικά της µονάδας που ευνοούν την παραγωγή υγρών, όπως η ταχεία

4 ανάµιξη της βιοµάζας µε το µέσο µεταφοράς θερµότητας, ο χαµηλός χρόνος παραµονής των παραγόµενων ατµών στον ανοδικό αντιδραστήρα και η ταχεία ψύξη των ατµών στο τµήµα ανάκτησης των προϊόντων. Στα σχήµατα 3-5 παρουσιάζονται κάποια χαρακτηριστικά αποτελέσµατα σύγκρισης της θερµικής µε την καταλυτική ταχεία πυρόλυση οξιάς σε δύο διαφορετικές θερµοκρασίες αντίδρασης (45 και 55 C). Όσον αφορά την απόδοση σε υγρό βιοέλαιο, µπορούµε να παρατηρήσουµε στο Σχήµα 3 ότι η παραγωγή υγρού µειώνεται σηµαντικά (µε αντίστοιχη αύξηση της απόδοσης σε αέρια και στερεά) όταν ως µέσο µεταφοράς θερµότητας χρησιµοποιείται καταλύτης FCC αντί ο αδρανής άµµος πυριτίας. Η τάση αυτή παρατηρείται και στις δύο Ε. Ηρακλέους, Α. Λάππας, Σ. Μπεζεργιάννη και Ι.Α. Βασάλος. θερµοκρασίες και υποδεικνύει ότι ο καταλύτης FCC ευνοεί ισχυρά τις δευτερεύουσες αντιδράσεις διάσπασης σε ελαφρύτερα προϊόντα. Παρ όλη τη µείωση της απόδοση σε βιοέλαιο, η παρουσία του καταλύτη επηρεάζει σηµαντικά τα χαρακτηριστικά του καυσίµου. Ποιοτική και ποσοτική ανάλυση του βιοελαίου έδειξε ότι το βιοέλαιο που παράγεται καταλυτικά περιέχει πολύ µεγαλύτερο ποσοστό υδρογονανθράκων (Σχήµα 4) και πολύ λιγότερες βαριές οξυγονούχες ενώσεις (Σχήµα 5) σε σχέση µε το θερµικό βιοέλαιο. Αυτή η βελτίωση µπορεί να αποδοθεί στη παρουσία του όξινου καταλύτη FCC που καταλύει τις αντιδράσεις διάσπασης των βαρύτερων ενώσεων σε ελαφρύτερες (deoxygenating reactions). Οι αντιδράσεις αυτές οδηγούν όµως και στη παραγωγή νερού και κατά συνέπεια, η περιεκτικότητα σε νερό του καταλυτικά παραγόµενου βιοελαίου είναι περίπου 6%κ.β., σηµαντικά υψηλότερη από ότι στο θερµικό βιοέλαιο που είναι γύρω στο 2%κ.β. στους 45 C και 22.6%κ.β. στους 5 C. Η παρουσία του νερού τροποποιεί σηµαντικά τις φυσικές ιδιότητες του βιοελαίου που παράγεται παρουσία καταλυτών FCC. Οι ιδιότητες αυτές παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 (για τα πειράµατα που έγιναν στους 45 C) και συγκρίνονται µε τις αντίστοιχες ιδιότητες του θερµικού βιοελαιου. Η πυκνότητα του θερµικού βιοελαίου είναι 1.19 g/cc, ενώ η αντίστοιχη για το καταλυτικό είναι 1. g/cc. Η παρουσία του καταλύτη µειώνει επίσης το ανθρακούχο υπόλειµµα (micro carbon residue - MCRT) του βιοελαίου, το οποίο αποτελεί ένδειξη για την περιεκτικότητα σε βαριές οξυγονούχες ενώσεις. Η υψηλή περιεκτικότητα του βιοελαίου σε νερό είναι υπεύθυνη και για την χαµηλή θερµογόνο δύναµη του προϊόντος (Πίνακας 1). Τα παραπάνω αποτελέσµατα αποδεικνύουν ότι η παρουσία καταλύτη µπορεί να αλλάξει σηµαντικά την ποιότητα και ποσότητα του βιοελαίου που παράγεται µέσω µιας διεργασίας καταλυτικής πυρόλυσης βιοµάζας. Αξίζει να σηµειωθεί ότι ο καταλύτης FCC είναι ένας πολύ ενεργός καταλύτης για τη συγκεκριµένη διεργασία, οδηγώντας κυρίως στην παραγωγή νερού και κωκ, και έτσι ίσως να µην αποτελεί το πιο κατάλληλο καταλυτικό υλικό για τη διεργασία. Οι ερευνητικές προσπάθειες συνεχίζονται για την αναζήτηση ενός καταλληλότερου καταλυτικού υλικού για την προτεινόµενη διεργασία. Liquid Yield (%wt on biomass) Silica Sand FCC T=45 C T=5 C Σχήµα 3. Επίδραση του καταλύτη FCC στην απόδοση σε βιοέλαιο HC (%wt in organic biooil) T=45 C T=5 C Silica Sand FCC Σχήµα 4. Επίδραση του καταλύτη FCC στο ποσοστό υδρογονανθράκων του οργανικού µέρους του βιοελαίου Heavy compounds (%wt in biooil) Silica Sand FCC T=45 C T=5 C Σχήµα 5. Επίδραση του καταλύτη FCC στις βαριές ενώσεις του βιοελαίου Πίνακας 1. Φυσικές ιδιότητες βιοελαίων που παράγονται παρουσία άµµου πυριτίας και καταλύτη FCC (45 C) Ιδιότητες Άµµος πυριτίας FCC Πυκνότητα στους 15.6 C, g/cc Ιξώδες στους 5 C, cst Ιξώδες στους 5 C µετά από θέρµανση για 6h στους 8 C, cst Ιξώδες στους 5 C µετά από θέρµανση για 24h στους 8 C, cst Conradson Carbon Residue (MCR), %κ.β Σηµείο ροής, C Σηµείο ανάφλεξης, C HHV, MJ/kg

5 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις του βιοελαίου µε τη µέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) Η παρούσα µελέτη Ανάλυσης Κύκλου Ζωής είχε ως στόχο την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που θα προέκυπταν από τη χρήση θερµικού βιοελαίου (χωρίς αναβάθµιση) ως καύσιµο θέρµανσης, µέσω της ανάλυσης του συνολικού κύκλου ζωής τους προϊόντος και σύγκρισης µε τον αντίστοιχο του συµβατικού ορυκτού πετρελαίου θέρµανσης. Ως µονάδα αναφοράς για την σύγκριση των δύο καυσίµων χρησιµοποιήθηκε η παραγωγή 1kWh θερµότητας. Τα όρια του συστήµατος που µελετήθηκε παρουσιάζονται στο Σχήµα 6. Τα όρια αυτά περιλάµβαναν, στη περίπτωση του ορυκτού πετρελαίου θέρµανσης (σενάριο DHO Εξαγωγή αργού Εξαγωγή αργού πετρελαίου πετρελαίου Συλλογή δασικών Συλλογή δασικών υπολειµµάτων/ενεργειακή υπολειµµάτων/ενεργειακή καλλιέργεια ιτιάς καλλιέργεια ιτιάς Παραγωγή λιπασµάτων ΕΝΕΡΓΕΙΑ & ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ Παραγωγή ναυτιλιακού καυσίµου Παραγωγή ντίζελ κίνησης Μεταφορά ιύλιση προς ιύλιση προς πετρέλαιο πετρέλαιο θέρµανσης θέρµανσης Μεταφορά Αποθήκευση Αποθήκευση ιανοµή στον τελικό χρήστη Τεµαχισµός ξύλου Τεµαχισµός ξύλου Μεταφορά Ταχεία πυρόλυση Ταχεία πυρόλυση βιοµάζας βιοµάζας Αποθήκευση, µεταφορά& διανοµή Παραγωγή ηλεκτρισµού ΕU-mix Παραγωγή φυσικού αερίου ΑΕΡΙΟΙ ΡΥΠΟΙ Καύση σε σύστηµα θέρµανσης καυστήρα/λέβητα Καύση σε σύστηµα θέρµανσης καυστήρα/λέβητα Σχήµα 6. Όρια του εξεταζόµενου συστήµατος για την Ανάλυση Κύκλου Ζωής του βιοελαίου και του ορυκτού πετρελαίου θέρµανσης Domestic Heating Oil) τα εξής στάδια: εξόρυξη αργού πετρελαίου, µεταφορά σε σύγχρονο διυλιστήριο, διύλιση του αργού προς πετρέλαιο θέρµανσης, αποθήκευση και τελικά µεταφορά και διανοµή στον τελικό καταναλωτή για παραγωγή θερµότητας. Για την αξιολόγηση του βιοελαίου, υποθέσαµε δύο διαφορετικά σενάρια: παραγωγή από λιγνοκυτταρινούχα βιοµάζα προερχόµενη (α) από υπολείµµατα δασικής ξυλείας (σενάριο bio-oil1) και (β) από ιτιά προερχόµενη από ενεργειακές καλλιέργειες (σενάριο bio-oil2). Ο υπόλοιπος κύκλος ζωής του βιοελαίου αποτελείτο από τον τεµαχισµό της βιοµάζας σε µικρά σωµατίδια, µεταφορά στη µονάδα παραγωγής, ταχεία πυρόλυση της τροφοδοσίας προς παραγωγή βιοελαίου και τέλος διανοµή στον τελικό καταναλωτή όπου γίνεται και η καύση για παραγωγή θερµότητας. Για κάθε ένα από τα στάδια στον κύκλο ζωής των δύο καυσίµων συλλέχθηκαν τα εξής δεδοµένα: κατανάλωση ορυκτής ενέργειας, κατανάλωση ανανεώσιµης ενέργειας και εκποµπές των αερίων ρύπων CO 2, NO x, SO x, CH 4, N 2 O, VOC και αιωρούµενων σωµατιδίων. Τα δεδοµένα για όλες τις διεργασίες προ της καύσης λήφθηκαν από τη βιβλιογραφία, για το ορυκτό πετρέλαιο θέρµανσης από [7],[8],[9],[1], ενώ για το βιοέλαιο από [11],[12],[13]. Τα δεδοµένα για την καύση του πετρελαίου θέρµανσης λήφθηκαν από πειράµατα που έγιναν στα εργαστήρια της Shell Global Solutions στο Αµβούργο σε σύστηµα θέρµανσης λέβητα/καυστήρα οικιακής κλίµακας, ενώ για την καύση του βιοελαίου χρησιµοποιήθηκαν βιβλιογραφικά δεδοµένα που λήφθηκαν σε λέβητα καύσης πετρελαίου 3 kw, εφοδιασµένο µε ειδικά σχεδιασµένο καυστήρα για την καύση βιοελαίου [14]. Οι κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων που λήφθηκαν υπόψη για την περιβαλλοντική αξιολόγηση των καυσίµων ήταν η κατανάλωση ενέργειας (ορυκτής και ανανεώσιµης), οι εκποµπές θερµοκηπιακών αερίων (CO 2, CH 4, N 2 O) και το δυναµικό οξίνισης (SO x, NO x ). Στα σχήµατα 7-9 παρουσιάζεται η συνολική επίπτωση του κάθε εξεταζόµενου σεναρίου στις κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων που αναφέρθηκαν πιο πάνω. Σε όλες τις περιπτώσεις, η συνολική επίπτωση κάθε καυσίµου σε κάποια κατηγορία αναλύεται στις επιµέρους συνεισφορές από τα διάφορα στάδια του κύκλου ζωής των προϊόντων. Κατανάλωση ορυκτής ενέργειας: Στο Σχήµα 7 παρουσιάζεται η ορυκτή ενέργεια που καταναλώνεται σε όλο τον κύκλο ζωής των εξεταζόµενων καυσίµων για την παραγωγή 1 kwh ωφέλιµης θερµότητας. Το βιοέλαιο παρουσιάζει ουσιαστική εξοικονόµηση ορυκτής ενέργειας, η οποία µπορεί να είναι µέχρι και 77% λιγότερη από το ορυκτό καύσιµο αναφοράς. Αυτό µπορεί να αποδοθεί κυρίως στον ανανεώσιµο χαρακτήρα της βιοµάζας που

6 Κατανάλωση ορυκτής ενέργειας, MJ/kWh Καύση καυσίµου Μεταφορά και διανοµή στο χρήστη ιεργασία παραγωγής καυσίµου Μεταφορά στη µονάδα παραγωγής Παροχή τροφοδοσίας DHO Bio-oil1 Bio-oil2 Σχήµα 7. Κατανάλωση ορυκτής ενέργειας στο κύκλο ζωής των καυσίµων ανά kwh θερµότητας Ε. Ηρακλέους, Α. Λάππας, Σ. Μπεζεργιάννη και Ι.Α. Βασάλος. Σχήµα 8. Εκποµπές αερίων θερµοκηπίου στο κύκλο ζωής των καυσίµων ανά kwh θερµότητας χρησιµοποιείται ως τροφοδοσία και που έχει ως αποτέλεσµα µηδενική κατανάλωση ορυκτής ενέργειας στο τελικό στάδιο καύσης του καυσίµου. Αντίθετα, η κατανάλωση ορυκτής ενέργειας στον κύκλο ζωής του πετρελαίου θέρµανσης οφείλεται κυρίως στην ενέργεια που βρίσκεται δεσµευµένη στο καύσιµο και απελευθερώνεται κατά την καύση. Όλες οι υπόλοιπες διεργασίες στον κύκλο ζωής του πετρελαίου θέρµανσης έχουν εξαιρετικά υψηλό βαθµό απόδοσης, εξαιτίας της υψηλής τεχνογνωσίας και βελτιστοποίησης στις διεργασίες εξόρυξης αργού και διύλισης. Συγκρίνοντας τα δύο διαφορετικά σενάρια λιγνοκυτταρινούχας τροφο-δοσίας για την παραγωγή του βιοελαίου, µπορούµε να παρατηρήσουµε ότι η καλλιέργεια βιοµάζας αυξάνει τη συνολική κατανάλωση ενέργειας σε σχέση µε την περίπτωση της χρήσης υπολειµµάτων. Βέβαια, µε δεδοµένη την συνολική πολύ σηµαντική µείωση στην κατανάλωση ενέργειας που επιτυγχάνεται µε τα βιοκαύσιµα, η αύξηση αυτή δεν είναι τόσο σηµαντική ώστε να ανατρέψει τη θετική εικόνα που παρουσιάζει το βιοέλαιο. Τέλος, αξίζει να σηµειωθεί ότι τα στάδια µεταφοράς, τόσο της τροφοδοσίας όσο και του τελικού καυσίµου, έχουν πολύ µικρή συνεισφορά στην κατανάλωση ενέργειας, αντιστρόφως ανάλογη µε την τεράστια συνεισφορά που έχουν στο τελικό κόστος των καυσίµων. Εκποµπές αερίων θερµοκηπίου (ΘΚΑ): Η χρήση βιοελαίου για παραγωγή θερµότητας έχει ως αποτέλεσµα τη δραστική µείωση των εκποµπών αερίων θερµοκηπίου (σχήµα 8), ακολουθώντας την ίδια τάση που παρατηρείται και στην κατανάλωση ορυκτής ενέργειας Αυτό οφείλεται και πάλι στην αναεώσιµη φύση της βιοµάζας που χρησιµοποιείται ως τροφοδοσία και τον κλειστό κύκλο άνθρακα, που έχει ως αποτέλεσµα µηδενικές εκποµπές CO 2 κατά το στάδιο καύσης του βιοκαυσίµου, εκποµπές που καθιστούν την κύρια πηγή ΘΚΑ στην περίπτωση του πετρελαίου θέρµανσης. Μια διαφοροποίηση σε σχέση µε τα αποτελέσµατα χρήσης ορυκτής ενέργειας είναι η αυξηµένη συνεισφορά του βιοελαίου από καλλιεργηµένη ιτιά. Η χρήση βιοµάζας από καλλιέργειες ως τροφοδοσία σχεδόν διπλασιάζει τις εκποµπές αερίων θερµοκηπίου του βιοελαίου σε σχέση µε την περίπτωση χρήσης υπολειµµάτων ξυλείας. Αυτές οι επιπλέον εκποµπές ΘΚΑ δεν οφείλονται σε αύξηση του CO 2, αλλά σε εκποµπές N 2 O, ενός αερίου µε ιδιαίτερα υψηλό δυναµικό υπερθέρµανσης (~31 φορές µεγαλύτερο από το CO 2 ), το οποίο απελευθερώνεται από το έδαφος κατά το στάδιο της καλλιέργειας εξαιτίας της χρήσης αζωτούχων λιπασµάτων. υναµικό οξίνισης: Όπως φαίνεται στο Σχήµα 9, όλα τα εξεταζόµενα σενάρια καυσίµων επιδεικνύουν παρόµοιο δυναµικό οξίνισης για όλες τις προ καύσης διεργασίες. Ωστόσο, το βιοέλαιο παρουσιάζει σηµαντικά υψηλότερη συνολική συνεισφορά στο φαινόµενο της οξίνισης σε σχέση µε το πετρέλαιο θέρµανσης, εξαιτίας των αυξηµένων εκποµπών NO x κατά το στάδιο της καύσης. Το ορυκτό πετρέλαιο θέρµανσης είναι ένα καύσιµο µε εξαιρετικά «καθαρή» καύση σε σύστηµα θέρµανσης βελτιστοποιηµένο ειδικά για χρήση µε το καύσιµο αυτό. Από την άλλη, το βιοέλαιο είναι ένα πολύπλοκο µίγµα πολικών µορίων και δεν υπάρχει ακόµα ανεπτυγµένη τεχνολογία καύσης ειδικά σχεδιασµένη για καύση ενός τέτοιου καυσίµου. Αξίζει βέβαια να σηµειώσουµε ότι η σύγκριση του σταδίου καύσης είναι ασθενής λόγω περιορισµένων δεδοµένων, αφού τα δεδοµένα για το ορυκτό πετρέλαιο προέρχονται από καύση σε µικρής κλίµακας σύστηµα θέρµανσης ενώ τα δεδοµένα για το βιοέλαιο από καύση σε λέβητα/καυστήρα ηµιβιοµηχανικής κλίµακας, ο οποίος παρουσιάζει αρκετά υψηλότερες αέριες εκποµπές. Η επίδοση του βιοελαίου στο στάδιο καύσης αναµένεται να βελτιωθεί είτε µε βελτίωση της ποιότητας και των ιδιοτήτων του βιοκαυσίµου (π.χ. µε in situ αναβάθµιση µέσω καταλυτικής πυρόλυσης) είτε/και µε ανάπτυξη εξειδικευµένης τεχνολογίας για καύση του συγκεκριµένου καυσίµου. Εκποµπές ΘΚΑ, g CO2 eq/kwh Καύση καυσίµου Μεταφορά και διανοµή στο χρήστη ιεργασία παραγωγής καυσίµου Μεταφορά στη µονάδα παραγωγής Παροχή τροφοδοσίας DHO Bio-oil1 Bio-oil2 υναµικό οξίνισης, g SO2 eq/kwh Καύση καυσίµου Μεταφορά και διανοµή στο χρήστη ιεργασία παραγωγής καυσίµου Μεταφορά στη µονάδα παραγωγής Παροχή τροφοδοσίας DHO Bio-oil1 Bio-oil2 Σχήµα 9. υναµικό οξίνισης στο κύκλο ζωής των καυσίµων ανά kwh θερµότητας

7 3.2. Υδρογονοδιάσπαση κηρών Fischer-Tropsch που παράγονται από τη διεργασία Biomass-to-Liquids Πειραµατικά αποτελέσµατα υδρογονοδιάσπασης κηρών Fischer-Tropsch Τα πειράµατα ήπιας υδρογονοδιάσπασης των κηρών Fischer-Tropsch έγιναν σε προκαθορισµένες συνθήκες λειτουργίας (θερµοκρασία, χωρική ταχύτητα, πίεση, λόγος υδρογόνου/κηρού) και µελετήθηκε τόσο η επίδραση του καταλυτικού υλικού όσο και η επίδραση διαφόρων λειτουργικών µεταβλητών όπως θερµοκρασία, πίεση, λόγος Η 2 /τροφοδοσία κλπ. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσµατα που αφορούν την επίδραση της θερµοκρασίας υδρογονοπυρόλυσης στην απόδοση και την ποιότητα των προϊόντων. Για την επίδραση της θερµοκρασίας µελετήθηκαν τρεις συνθήκες: Βασική θερµοκρασία (base), Βασική + 25 C, Βασική - 25 C. Σε αυτές τις τρεις δοκιµές οι υπόλοιπες λειτουργικές παράµετροι ήταν σταθερές. Σε κάθε συνθήκη γίνονταν ισοζύγια µάζας, ενώ παράλληλα συλλέγονταν επαρκής ποσότητα του υγρού προϊόντος για απόσταξη στη συσκευή TBP του ΙΤΧΗ σύµφωνα µε τη µέθοδο ASTM-D2892. Από αυτήν την απόσταξη συλλέχθηκαν συγκεκριµένα κλάσµατα στο επιθυµητό εύρος σηµείων βρασµού: BTL-νάφθα από 8-15 C, BTL-κηροζίνη από 15-2 C και BTL-diesel από 2-32 C. Αυτά τα κλάσµατα αναλύθηκαν επίσης πλήρως προκειµένου να προσδιοριστεί η ποιότητα των παραγόµενων τελικών προϊόντων BTL. Yield, % wt on wax 6% 5% 4% 3% 2% 1% % BTL-Diesel BTL-Kerosene Base-25 Base Base+25 Reaction temperature, C BTL-Naphtha Σχήµα 1. Επίδραση θερµοκρασίας στην απόδοση βιοκαυσίµων Πίνακας 2. Φυσικές ιδιότητες συνθετικών καυσίµων BTL BTL-Naphtha Πυκνότητα (15 C).75 g/ml RON 59 Αρωµατικά 1.3%wt Ισοπαραφίνες 61%wt BTL-Kerosene Πυκνότητα (15 C).741 g/ml Αρωµατικά 8%wt RON 89 BTL-Diesel Πυκνότητα ( C).78 g/ml είκτης κετανίου 76 Αρωµατικά %wt Στο σχήµα 1 παρουσιάζεται η επίδραση της θερµοκρασίας αντίδρασης στην απόδοση (%κβ ως προς την τροφοδοσία κηρού) των τριών κύριων υγρών προϊόντων. Το άθροισµα των αποδόσεων όλων των προϊόντων δείχνει ότι µε τις συγκεκριµένες επιλεγµένες συνθήκες επιτυγχάνεται µια ικανοποιητική µετατροπή του κεριού ειδικά στη Βασική θερµοκρασία και στη Βασική + 25 C. Με την αύξηση της θερµοκρασίας αυξάνεται και η µετατροπή, εντούτοις αυτό έχει ισχυρή επίδραση στις αποδόσεις των επιµέρους προϊόντων. Η υψηλότερη θερµοκρασία παράγει ελαφρύτερα προϊόντα όπως BTL-νάφθα (και αέρια). Στην υψηλότερη θερµοκρασία το ντίζελ ήταν σχεδόν µηδενικό και όλος ο κηρός µετατράπηκε σε νάφθα, κηροζίνη και (κυρίως) αέρια. Η Βασική θερµοκρασία φαίνεται να έχει καλύτερη απόδοση σε BTL-κηροζίνη και BTL-diesel. Φυσικά απαιτούνται περισσότερες δοκιµές για να προσδιοριστούν οι βέλτιστες θερµοκρασίες για τη µεγιστοποίηση της BTLκηροζίνης και του BTL-diesel. Στον Πίνακα 2 παρουσιάζονται µερικές χαρακτηριστικές ιδιότητες των προϊόντων που παράγονται στη βασική συνθήκη αυτής της διαδικασίας. Φαίνεται ότι η ποιότητα µερικών από των προϊόντων είναι άριστη. Το ντίζελ που παίρνουµε από αυτή τη διεργασία είναι παρόµοιο µε το ντίζελ που παράγεται από το πετρέλαιο όσον αφορά το σηµείο ανάφλεξης, τη θερµογόνο δύναµη και πολλές άλλες ιδιότητες (που δεν παρουσιάζονται στον Πίνακα 2) και είναι επίσης στην υγρή φάση σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Εντούτοις, το BTL ντίζελ έχει µερικά χαρακτηριστικά που είναι καλύτερα από το φυσικό ντίζελ. Έχει υψηλότερο δείκτη κετανίου, ο οποίος αποτελεί ένδειξη καλύτερης ποιότητας αυτανάφλεξης. Επιπλέον, έχει σχεδόν µηδενική περιεκτικότητα σε αρωµατικά που οδηγεί σε καθαρότερη καύση. Αυτό σηµαίνει ότι οι εκποµπές σωµατιδίων και εκποµπών NOx από ένα τέτοιο καύσιµο αναµένονται να είναι χαµηλότερες, κάτι που αποδείχθηκε και πειραµατικά από δοκιµές που πραγµατοποίησε η VW. Επιπλέον, οι εκποµπές θείου αποφεύγονται επειδή το BTL-ντίζελ δεν έχει σχεδόν καθόλου θείο. Ένα άλλο πλεονέκτηµα των συγκεκριµένων βιοκαυσίµων είναι ότι η χηµική σύνθεσή τους καλύπτει τις περισσότερες αν όχι όλες τις απαιτήσεις των κατασκευαστών µηχανών αναφορικά µε την ποιότητά τους ως καύσιµα ντίζελ. Ταυτόχρονα το BTL diesel είναι πλήρως αναµείξιµο µε το συµβατικό ντίζελ και µπορεί να χρησιµοποιηθεί άµεσα στις υπάρχουσες µηχανές µηχανοκίνητων οχηµάτων. Φυσικά, ειδικές πρόσθετες ουσίες µπορεί να είναι απαραίτητες για να καλυφθούν οι απαιτήσεις σε λιπαντική ικανότητα και ψυχρή ροή.

8 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις του καυσίµου ΒΤL µε τη µέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο βέλτιστος τρόπος διαχείρισης της βιοµάζας και η πιο αειφόρος επιλογή βιοκαυσίµου µπορεί να προκύψει µόνο µέσω σφαιρικής αξιολόγησης λαµβάνοντας υπόψη όλα τα στάδια στον κύκλο ζωής του υπό µελέτη καυσίµου. Σε αναλογία µε την µελέτη Ανάλυσης Κύκλου Ζωής που πραγµατοποιήθηκε για το βιοέλαιο (παράγραφος 3.1), παρόµοια ανάλυση έγινε και για τα συνθετικά καύσιµα BΤL µε στόχο την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που θα προέκυπταν από τη χρήση του ΒΤLντίζελ ως καύσιµο θέρµανσης, χρησιµοποιώντας πάντα ως καύσιµο αναφοράς το ορυκτό πετρέλαιο θέρµανσης. Για την αξιολόγηση του ΒΤL-ντίζελ, υποθέσαµε δύο διαφορετικά σενάρια όσον αφορά την τροφοδοσία (υπολείµµατα δασικής ξυλείας [1] και καλλιέργεια ιτιάς [2]) όπως και στην περίπτωση του βιοελαίου, ενώ παράλληλα προσοµοιώθηκαν και δύο διαφορετικές διατάξεις της µονάδας παραγωγής BΤL. Στη διάταξη Α υποτέθηκε ότι η µονάδα παραγωγής λειτουργεί σε «πλήρως αυτάρκη» διάταξη, δηλ. οι ενεργειακές απαιτήσεις της διεργασίας καλύπτονται από ένα µέρος της τροφοδοσίας και κατ επέκταση δεν απαιτείται καµία παροχή εξωτερικής ενέργειας. Μια εναλλακτική διάταξη λειτουργίας, η οποία έχει ως στόχο τη µεγιστοποίηση της απόδοσης σε υδρογονάνθρακες, είναι η «µερικώς αυτάρκης» διάταξη Β, στην οποία υποθέτουµε ότι µόνο ένα µέρος των ενεργειακών απαιτήσεων καλύπτονται από βιοµάζα και το υπόλοιπο από συµβατικό ηλεκτρισµό. Ο υπόλοιπος κύκλος ζωής του ΒΤL-ντίζελ αποτελείτο από τον τεµαχισµό της βιοµάζας σε µικρά σωµατίδια και µεταφορά στη µονάδα παραγωγής (όµοια µε την περίπτωση του βιοελαίου, βλ. Σχήµα 6), παραγωγή µέσω διεργασίας BTL και µεταφορά και διανοµή στον τελικό καταναλωτή για παραγωγή θερµότητας (όµοια µε τα συµβατικά καύσιµα). Ακολουθήθηκε η ίδια µεθοδολογία αξιολόγησης όπως και στην περίπτωση του βιοελαίου, η οποία δεν επαναλαµβάνεται για λόγους συντοµίας. Τα δεδοµένα για την καύση του ΒΤL-ντίζελ λήφθηκαν από πειράµατα που έγιναν στα εργαστήρια της Shell Global Solutions στο Αµβούργο στο ίδιο σύστηµα θέρµανσης λέβητα/καυστήρα οικιακής κλίµακας που χρησιµοποιήθηκε για την καύση του συµβατικού πετρελαίου θέρµανσης. Στα σχήµατα παρουσιάζεται η συνολική επίπτωση του κάθε εξεταζόµενου σεναρίου στις κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατανάλωση ορυκτής ενέργειας και εκποµπές αερίων θερµοκηπίου ανά kwh παραγόµενης θερµότητας. Κατανάλωση ορυκτής ενέργειας, MJ/kWh DHO BTL1A BTL2A BTL1B BTL2B Σχήµα 11. Κατανάλωση ορυκτής ενέργειας στον κύκλο ζωής των καυσίµων ανά kwh θερµότητας Εκποµπές ΘΚΑ, g CO2 eq/kwh Καύση καυσίµου Μεταφορά και διανοµή στον χρήστη ιεργασία παραγωγής καυσίµου Μεταφορά τροφοδοσίας στη µονάδα παραγωγής Παροχή τροφοδοσίας DHO BTL1A BTL2A BTL1B BTL2B Σχήµα 12. Εκποµπές αερίων θερµοκηπίου στον κύκλο ζωής των καυσίµων ανά kwh θερµότητας Κατανάλωση ορυκτής ενέργειας: Όπως φαίνεται στο Σχήµα 11, τα συνθετικά καύσιµα BTL προσφέρουν τα µέγιστα οφέλη στη προσπάθεια µείωσης της κατανάλωσης ορυκτών αποθεµάτων, και ιδιαίτερα στην περίπτωση που η µονάδα παραγωγής είναι σχεδιασµένη να λειτουργεί αποκλειστικά µε βιοµάζα τόσο ως τροφοδοσία αλλά και ως καύσιµο για κάλυψη των ενεργειακών και θερµικών αναγκών της διεργασίας (µείωση κατανάλωσης ορυκτής ενέργειας έως και 96% ανά kwh σε σχέση µε το ορυκτό πετρέλαιο θέρµανσης). Όταν οι ανάγκες της µονάδας BTL καλύπτονται µερικώς από ορυκτές πηγές ενέργειας, τότε η παραγωγή βιοελαίου µέσω ταχείας πυρόλυσης βιοµάζας επιδεικνύει το βέλτιστο ενεργειακό ισοζύγιο (βλ. Σχήµα 7). Συγκρίνοντας τις δύο διαφορετικές τροφοδοσίες λιγνοκυτταρινούχας βιοµάζας, παρατηρούµε ότι η καλλιέργεια δασικών ειδών επιβαρύνει την κατανάλωση ενέργειας κατά ~4% σε σχέση µε την περίπτωση χρήσης υπολειµµάτων, κατ αναλογία µε τα αποτελέσµατα της ανάλυσης κύκλου ζωής του βιοελαίου. Εκποµπές αερίων θερµοκηπίου (ΘΚΑ): Ανάλογα αποτελέσµατα καταγράφονται και στην επίδραση που έχουν τα συνθετικά καύσιµα BTL στο φαινόµενο της υπερθέρµανσης, µε µεγάλες µειώσεις εκποµπών αερίων θερµοκηπίου σε όλο τον κύκλο ζωής τους σε σχέση µε το πετρέλαιο θέρµανσης (Σχήµα 12). Συγκρίνοντας τις δύο διαφορετικές διατάξεις λειτουργίας της µονάδας BTL, παρατηρούµε ότι όταν η µονάδα λειτουργεί στη «µερικώς αυτάρκη» διάταξη οι εκποµπές ΘΚΑ αυξάνονται κατά ~15%, εξαιτίας του ορυκτού CO 2 που εκπέµπεται κατά τη παραγωγή των συµβατικών πηγών ενέργειας (π.χ. ηλεκτρισµού) που χρησιµοποιούνται για

9 την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της διεργασίας. Στην περίπτωση αυτή, η διεργασία παραγωγής αποτελεί την κυριότερη πηγή αερίων θερµοκηπίου. Η συνεισφορά στο συνολικό ισοζύγιο µειώνεται στην περίπτωση που χρησιµοποιούµε ως τροφοδοσία δασικές καλλιέργειες, καθώς παρατηρείται αυξηµένη συνεισφορά του σταδίου καλλιέργειας στις συνολικές εκποµπές ΘΚΑ. Αυτό αποδίδεται, όπως και στην περίπτωση του βιοελαίου, στη χρήση αζωτούχων λιπασµάτων και κατ επέκταση στις εκποµπές N 2 O. Οι χαµηλότερες εκποµπές ΘΚΑ καταγράφονται στην περίπτωση παραγωγή BTL-ντίζελ από δασικά υπολείµµατα σε µια µονάδα που λειτουργεί µόνο µε βιοµάζα τόσο ως τροφοδοσία όσο και ως καύσιµο. Πρέπει βέβαια να αναφερθεί ότι σε ένα πιο ρεαλιστικό σενάριο, τα συνθετικά καύσιµα BTL θα παράγονται χρησιµοποιώντας ένα συνδυασµό διαφορετικών τροφοδοσιών, που θα περιλαµβάνει τόσο υπολείµµατα βιοµάζας (δασικά και αγροτικά) όσο και συγκεκριµένες ενεργειακές καλλιέργειες. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Αποτελούν τα βιοκαύσιµα µακροπρόθεσµα αειφόρο λύση προς ανανεώσιµα καύσιµα; Η απάντηση σε αυτό το κρίσιµο ερώτηµα είναι δυστυχώς πολύ πιο σύνθετη από ένα απλό ναι ή όχι. Είναι σηµαντικό να αποδεχτούµε ότι όλα τα βιοκαύσιµα δεν είναι ίδια και ότι οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις πρέπει να εξετάζονται για κάθε βιοκαύσιµο ξεχωριστά, λαµβάνοντας υπόψη όλο τον κύκλο ζωής του προϊόντος, από το χωράφι µέχρι την τελική χρήση. Η έρευνα που διεξάγεται στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Καυσίµων και Υδρογονανθράκων (ΕΠΚΥ) του Ινστιτούτου Τεχνικής Χηµικών ιεργασιών (ΙΤΧΗ ) προσανατολίζεται σε νέες θερµοκαταλυτικές διεργασίες παραγωγής βιοκαυσίµων 2 ης γενιάς µε βάση τη λιγνοκυτταρινούχα βιοµάζα και που η αξιολόγηση των οποίων µε Ανάλυση Κύκλου Ζωής καταδεικνύει τις µεγάλες µειώσεις που µπορούν να επιτευχθούν σε κατανάλωση ορυκτής ενέργειας και εκποµπές αερίων θερµοκηπίου. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάστηκαν αρχικά αποτελέσµατα για τη παραγωγή βιοελαίου µέσω ταχείας πυρόλυσης βιοµάζας παρουσία καταλύτη FCC. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η παρουσία του καταλύτη FCC οδηγεί σε χαµηλότερη απόδοση βιοελαίου, βελτιωµένης όµως ποιότητας. Σε γενικά πλαίσια, η καταλυτική διεργασία φαίνεται να είναι ιδιαίτερα υποσχόµενη, αφού µπορούµε να τροποποιήσουµε τις ιδιότητες του παραγόµενου βιοκαυσίµου µε το κατάλληλο καταλυτικό υλικό. Η έρευνα στο χώρο αυτό συνεχίζεται µε στόχο την ανεύρεση καταλύτη που θα οδηγεί σε παραγωγή βιοελαίου υψηλής ποιότητας και ποσότητας. Η αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του βιοελαίου µε τη µέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής έδειξε ότι πιθανή χρήση του ως καύσιµο θέρµανσης µπορεί να επιφέρει σηµαντικά περιβαλλοντικά οφέλη. Το πυρολυτικό βιοέλαιο αποτελεί µια αειφόρο εναλλακτική λύση για καύσιµα θέρµανσης, συνεισφέροντας στη µείωση της κατανάλωσης ορυκτών αποθεµάτων και του φαινοµένου της υπερθέρµανσης. Τόσο τα οικολογικά όσο και τα οικονοµικά πλεονεκτήµατα καθιστούν το βιοέλαιο µια ελκυστική µακροπρόθεσµη λύση που χαίρει περαιτέρω διερεύνησης. Μια άλλη τεχνολογία για παραγωγή βιοκαυσίµων είναι η διεργασία Biomass to Liquids. Κατά τη διεργασία BTL ένα σηµαντικό µέρος της αρχικής βιοµάζας µετατρέπεται τελικά σε µίγµα στερεών παραφινών (κηρών, wax) πολύ υψηλών µοριακών βαρών. Στην παρούσα µελέτη παρουσιάστηκαν πειραµατικά αποτελέσµατα από την έρευνα που διεξάγεται στο ΙΤΧΗ /ΕΚΕΤΑ για την µετατροπή (αναβάθµιση) αυτών των βαριών παραφινών σε συνθετικό ντίζελ και βενζίνη υψηλής ποιότητας. Στα πλαίσια αυτά, αξιολογήθηκαν διάφοροι εµπορικά διαθέσιµοι καταλύτες υδρογονοδιάσπασης ως προς τη δυνατότητα παραγωγής υψηλής ποιότητας καυσίµων κίνησης και κυρίως ντίζελ µέσω ήπιας υδρογονοκατεργασίας των κηρών FT. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η ήπια υδρογονοκατεργασία των κηρών FT οδηγεί στην εκλεκτική παραγωγή ντίζελ εξαιρετικής ποιότητας, µε µηδενική περιεκτικότητα σε αρωµατικά και θείο και πολύ υψηλό δείκτη κετανίου. Η θερµοκρασία υδρογονοπυρόλυσης φαίνεται να παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο και επηρεάζει σηµαντικά την απόδοση στα διάφορα προϊόντα. Η ποσότητα του υδρογόνου επηρεάζει λιγότερο τις αποδόσεις των προϊόντων. Με τις συνθήκες που δοκιµάστηκαν µέχρι τώρα η µέγιστη απόδοση σε BTL-ντήζελ που επιτεύχθηκε ήταν 48%κβ (επί της τροφοδοσίας). Τέλος, η κατανοµή των προϊόντων BΤL φαίνεται να εξαρτάται ισχυρά και από τον τύπο του καταλυτικού υλικού. Τα πλεονεκτήµατα των καυσίµων BTL δεν εξαντλούνται µόνο στην εξαιρετική τους ποιότητα. Η µελέτη Ανάλυσης Κύκλου Ζωής για τη χρήση του καυσίµου BTL ως καύσιµο θέρµανσης καταδεικνύει τα σαφή περιβαλλοντικά οφέλη των συνθετικών καυσίµων από βιοµάζα, τα οποία εµφανίζουν µειώσεις που κυµαίνονται από 65% για την περίπτωση χρήσης καλλιεργηµένης βιοµάζας ως τροφοδοσία ως και 95% για την περίπτωση της χρήσης δασικών υπολειµµάτων, σε σχέση µε το αντίστοιχο ορυκτό καύσιµο. Παρόλο που σήµερα τα καύσιµα BTL έχουν σηµαντικά υψηλότερο κόστος παραγωγής σε σχέση µε τα συµβατικά, φαίνεται να αποτελούν µια πολλά υποσχόµενη λύση που µπορεί να συνεισφέρει ουσιαστικά στην εξοικονόµηση ορυκτών αποθεµάτων και στο πρόβληµα της υπερθέρµανσης του πλανήτη. Συµπερασµατικά, µπορούµε να δούµε ότι τα βιοκαύσιµα µπορούν να αποτελέσουν αειφόρο λύση στο ενεργειακό πρόβληµα εφόσον στραφούµε σε µη-βρώσιµες τροφοδοσίες και σε πρωτοποριακές τεχνολογίες παραγωγής µε µεγάλες αποδόσεις και χαµηλό κόστος. Η σφαιρική αξιολόγηση των βιοκαυσίµων µε Ανάλυση Κύκλου Ζωής είναι απαραίτητη και µας επιτρέπει να διακρίνουµε µέσα από δεκάδες διαφορετικούς συνδυασµούς παραγωγής βιοκαυσίµων - την περιβαλλοντικά βέλτιστη επιλογή, ενώ τέλος οι θερµοκαταλυτικές

10 διεργασίες παραγωγής βιοκαυσίµων 2 ης γενιάς είναι πολλά υποσχόµενες για ενεργειακά αποδοτική, χαµηλού κόστος και υψηλής ποιότητας παραγωγή βιοκαυσίµων 5. ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1 IFP Panorama 27: Biofuels Worldwide 2 Bridgwater, A.V., Peacocke, G.V.C. (2), Fast pyrolysis processes for biomass, Renew. Sust. Energ. Rev. Vol. 4(1), pp D. Chiaramonti, D., Oasmaa, A., Solantausta, Y. (27), Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass, Renew. Sust. Energ. Rev., Vol. 11(6), pp Iliopoulou, E.F., Antonakou, E.V., Karakoulia, S.A., Vasalos, I.A., Lappas, A.A., Triantafyllidis, K.S. (27), Catalytic conversion of biomass pyrolysis products by mesoporous materials: Effect of steam stability and acidity of Al-MCM-41 catalysts, Chem. Eng. J., Vol. 134, pp Triantafyllidis, K.S., Iliopoulou, E.F., Antonakou, E.V., Lappas, A.A., Wang, H., Pinnavaia, T.J. (27), Hydrothermally stable mesoporous aluminosilicates (MSU-S) assembled from zeolite seeds as catalysts for biomass pyrolysis, Microporous Mesoporous Mater., Vol. 99 (1-2), pp Lappas, A.A., Dimitropoulos, V., Antonakou, E.V., Voutetakis, S. S., Vasalos I.A. (22), Biomass pyrolysis in a circulating fluid bed reactor for the production of fuels and chemicals, Fuel, Vol. 81(16), pp EuCar CONCAWE - JRC, Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European Context, Final Report, January ETSU report, Alternative Road Transport Fuels - A Preliminary Life-cycle for the UK, London, GREET Version 1.5 Free software developed by the Argonne National Laboratory. 1 Wang, M., Lee, H., Molburg, J. (24), Allocation of energy use in petroleum refineries to petroleum products: implications for life-cycle energy use and emission inventory of petroleum transportation fuels, Int J LCA, Vol. 9, pp Database GEMIS (Global Emission Model of Integrated Systems), (IPCC)/OECD/IEA, Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories: Reference manual, Paris, France 13 Farag, I.H., LaClair, C.E., Barrett, C.J., Technical, Environmental and Economic Feasibility of Bio-oil in New Hampshire s North Country, Report for New Hampshire Ind. Res. Centre, August Solantausta, Y., Nieminen, M., Oasmaa, A., Gust, S., Baglioni, P., Chiaramonti, D., Massoli, P., Calabria, R., Lindman, E., Nyrönen, T., Vivarelli, S., Proc. 14 th European Biomass Conf., Paris (25).