04-00: Διεργασίες παραγωγής βιοενέργειας Εισαγωγή

Transcript

1 Κεφάλαιο σελ : Διεργασίες παραγωγής βιοενέργειας Εισαγωγή Όπως αναφέρεται στο Κεφάλαιο α, η ενέργεια που περιέχεται στα βιοκαύσιμα αποθηκεύτηκε αρχικά από τη φωτοσύνθεση και βρίσκεται σε λανθάνουσα κατάσταση, με τη μορφή πλούσιων σε ενέργεια (θερμικό περιεχόμενο) χημικών ενώσεων. Αν δει κανείς ποιοτικά τη φωτοσύνθεση ως: Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ενέργεια Ενεργειακά πλούσιο υλικό + Οξυγόνο τότε μπορεί κανείς να θεωρήσει ότι η εξαγωγή της περιεχόμενης ενέργειας πραγματοποιείται από μια «αντίστροφη φωτοσύνθεση»: Καύσιμο + Οξυγόνο Υδρατμοί + Διοξείδιο του άνθρακα + Θερμική ενέργεια Αυτή είναι στην πράξη η όλη διεργασία, αλλά για να εκτελεστεί αυτή η διαδικασία με αποτελεσματικό τρόπο, έτσι ώστε να εξοικονομηθούν φυσικοί πόροι και να αποφευχθεί η παραγωγή ρύπων, υπάρχουν κάποιες παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Αρχικά, η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη καύση δεν είναι στις περισσότερες περιπτώσεις το άμεσα επιθυμητό προϊόν. Ο στόχος κατά τη διαδικασία εξαγωγής της ενέργειας δεν περιορίζεται μόνο στην παραγωγή καυσαερίων, αλλά επικεντρώνεται είτε στην παραγωγή ενός ενεργειακού φορέα, όπως η ηλεκτρική ενέργεια, η τηλεθέρμανση ή πιθανώς σε ένα καύσιμο αξιοποιήσιμο στις μεταφορές είτε στην παράδοση κάποιου άλλου είδους ενεργειακής υπηρεσίας. Ως εκ τούτου, κρίνεται σκόπιμο να επανεισαχθούν ορισμένοι θεμελιώδεις όροι (EN 14588): Η βιομάζα μπορεί να είναι διαφόρων προελεύσεων. Τα βιοκαύσιμα μπορούν να είναι στερεά, υγρά ή αέρια και αποτελούν ένα καύσιμο το οποίο παράγεται, άμεσα ή έμμεσα από βιομάζα Η βιοενέργεια είναι η ενέργεια από βιομάζα. Ως εκ τούτου, μια μορφή ενέργειας, όπως η ηλεκτρική ενέργεια η οποία παράγεται σε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας από τη καύση βιο-μεθανόλης μπορεί να ονομάζεται βιο-ηλεκτρική ενέργεια. Οι ενεργειακοί φορείς είναι εμπορικά προϊόντα, όπως τα βιοκαύσιμα, η ηλεκτρική ενέργεια, ο ατμός, το ζεστό νερό που χρησιμοποιείται στην τηλεθέρμανση και άλλα, που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ενέργειας από τον παραγωγό στον τελικό χρήστη. Οι ενεργειακές υπηρεσίες είναι αυτό που ο πελάτης, ο τελικός χρήστης, τελικά θέλει. Οι ενεργειακές υπηρεσίες μπορεί να προέρχονται από πολλά διαφορετικά είδη, όπως είναι το μηχανικό έργο (όπως ένα κινούμενο αυτοκίνητο ή ένας αεριοσυμπιεστής), η θερμική ενέργεια (όπως θερμότητα για το μαγείρεμα, για τον έλεγχο του κλίματος ή για διεργασίες υψηλής θερμοκρασίας, όπως η τήξη γυαλιού), το φως (για φωτισμό ή για την κοπή λέιζερ), κτλ. Η επιθυμητή ενεργειακή υπηρεσία θέτει απαιτήσεις σχετικά με την πηγή ενέργειας η οποία με τη σειρά της, θέτει απαιτήσεις στην μετατροπή της ενέργειας από το καύσιμο στον ενεργειακό φορέα και μπορεί, τελικά, να θέσει απαιτήσεις και από τα ίδια τα καύσιμα. Αυτό που παρουσιάζεται σε αυτό το κεφάλαιο είναι η διαδικασία-αλυσίδα μετατροπής της βιομάζας σε έναν ενεργειακό φορέα.

2 Κεφάλαιο σελ : Σύντομη εισαγωγή στις διεργασίες Η εισαγωγή του Κεφαλαίου κατέστησε σαφές ότι η βιομάζα δεν αποτελεί ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, αλλά πρέπει πάντα να χρησιμοποιείται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η συνολική απόδοση. Ο απώτερος στόχος, με οποιαδήποτε διεργασία μετατροπής ενέργειας είναι, να παραδώσει έναν ενεργειακό φορέα όσο γίνεται καταλληλότερο για τις απαιτήσεις του τελικού χρήστη και με όσο το δυνατόν μικρότερες απώλειες σε όλη την αλυσίδα από τον εφοδιασμό, δηλαδή τις πρώτες ύλες (π.χ. βιομάζα) μέχρι τον τελικό ενεργειακό φορέα. Η τελική χημική διεργασία που πρέπει να πραγματοποιηθεί για να απελευθερωθεί το 100% της ενέργειας είναι πάντα η καύση. Η καύση είναι - εξ ορισμού - η πλήρης οξείδωση του περιεχομένου άνθρακα και υδρογόνου των καυσίμων, σε διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και υδρατμό (H 2 O (g)). Κατά τη διάρκεια της διεργασίας καύσης, πολλές από τις προσμίξεις των καυσίμων οξειδώνονται σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό, και κάποιες από αυτές, όπως το άζωτο και το θείο, παράγουν επιβλαβείς εκπομπές (NOx και SOx). Οι βασικότερες αντιδράσεις παραγωγής θερμότητας είναι εκείνες στις οποίες περιγράφεται η οξείδωση του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα και του υδρογόνου σε υδρατμούς οι οποίοι με τη σειρά τους μετατρέπονται από την αέρια μορφή τους στην υγρή δηλαδή σε νερό: C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) C(s) + 1/2 O 2 (g) CO(g) CO(g) + 1/2 O 2 (g) CO 2 (g) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(g) H 2 O(g) H 2 O(l) q react = kj/mol στους 25 o C και Pa q react = kj/mol στους 25 o C και Pa q react = kj/mol στους 25 o C και Pa q react = kj/mol στους 25 o C και Pa q react = 44.0 kj/mol στους 25 o C και Pa Όπου η πίεση των Pa αντιστοιχεί στην ατμοσφαιρική πίεση. Στην χημική βιβλιογραφία οι ενθαλπίες αυτών των αντιδράσεων συμβολίζονται με αρνητικό πρόσημο υποδεικνύοντας ότι η θερμότητα απελευθερώνεται, αλλά σε αυτό το κείμενο για λόγους απλότητας δίνονται με θετικά πρόσημα. Οι παραπάνω θερμότητες των αντιδράσεων βασίζονται στην υπόθεση ότι τα στοιχεία (άνθρακας, C, οξυγόνου, O 2, και του υδρογόνου, Η 2 ),παρουσιάζονται ως καθαρές ουσίες, δηλαδή με τη μορφή γραφίτη (για τον άνθρακα) και καθαρών αερίων (για τα υπόλοιπα). Δεδομένου ότι αυτό δεν συμβαίνει με τα στερεά καύσιμα, στην πράξη χρησιμοποιούνται πειραματικές τιμές για το πραγματικό θερμικό περιεχόμενο του καυσίμου, όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο α παρακάτω. Για πρακτικούς λόγους, ένα «νωπό» στερεό καύσιμο αποτελείται από δύο βασικά συστατικά, συγκεκριμένα: Νερό Ξηρά ουσία

3 Κεφάλαιο σελ. 3 Όπως θα καταστεί σαφές στην επόμενη ενότητα, η περιεκτικότητα σε νερό είναι ένας σημαντικός παράγοντας που καθορίζει την ποιότητα του καυσίμου όσον αφορά το ενεργειακό περιεχόμενο. Η περιεκτικότητα σε νερό του καυσίμου πρέπει να καθορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο EN 14774, αλλά μπορεί να καθοριστεί με δύο διαφορετικούς τρόπους: Το πηλίκο του νερού ή το πηλίκο υγρασίας είναι η περιεκτικότητα σε νερό καθοριζόμενη «επί ξηρού». Ως εκ τούτου, εάν ένα ποσό m fuel αποτελείται από M W kg νερό και M ds kg ξηρής ουσίας, το ποσοστό του νερού είναι: mw mw X W = ή X W =100 % m m ds ds Η περιεκτικότητα σε νερό ή η περιεκτικότητα σε υγρασία είναι η περιεκτικότητα σε νερό καθοριζόμενη «επί υγρού.» Ως εκ τούτου, για το ίδιο παράδειγμα όπως και προηγουμένως, η περιεκτικότητα σε νερό είναι: mw mw f W = ή fw =100 % m m fuel fuel Είναι σαφές από τους παραπάνω ορισμούς ότι το πηλίκο νερού μπορεί να φτάσει τις τιμές άνω του 1 ή να υπερβαίνει το 100%, ενώ η περιεκτικότητα σε νερό δεν μπορεί. Από μια απλουστευμένη άποψη της καύσης, η ξηρή ουσία μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από τρεις διαφορετικές επιμέρους ουσίες: Πτητικές ουσίες. Το κατά βάρος κλάσμα της ξηράς ουσίας που χάνεται κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης. Μόνιμος άνθρακας: Το ανθρακούχο υπόλειμμα μετά την πυρόλυση. Τέφρα. Το υπόλειμμα μετά την πλήρη καύση. Το ποσό της τέφρας σε ένα καύσιμο συνήθως καθορίζεται ως βάρος-% επί ξηρού και θα πρέπει να προσδιορίζεται σύμφωνα με τη μέθοδο που αναφέρεται στο πρότυπο EN Το περιεχόμενο σε πτητικές ουσίες συνήθως ορίζεται ως το βάρος-% επί ξηρού και πρέπει να προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο EN Τα πρότυπα που αναφέρονται παραπάνω είναι εκείνα που ισχύουν για τα καθαρά στερεά βιοκαύσιμα - για τα ανακτηθέντα καύσιμα παρακαλούμε ανατρέξτε στα EN και EN Για τα ανακτηθέντα κλάσματα καυσίμων μπορεί επίσης να παρουσιάζει ενδιαφέρον ο προσδιορισμός του συνολικού περιεχομένου της βιομάζας στο υλικό, ΕΝ Όταν ένα νωπό στερεό καύσιμο εισέρχεται σε ένα θερμό περιβάλλον καύσης παρουσία επαρκών ποσοτήτων οξυγόνου, η διαδικασία ξεκινά με τα ακόλουθα βήματα:

4 Κεφάλαιο σελ. 4 1) Ξήρανση. Είναι η απελευθέρωση της υγρασίας των καυσίμων με τη μορφή ατμού και αποτελεί ενδόθερμη διαδικασία ή διαδικασία κατανάλωσης θερμότητας. 2)Πυρόλυση. Είναι η απελευθέρωση των πτητικών ουσιών, εν μέρει καιόμενα, και αποτελεί επίσης μία ενδόθερμη διαδικασία. 3) Καύση αερίου. Είναι η καύση αυτών των συστατικών των πτητικών ουσιών που είναι εύφλεκτα. Αυτή η διαδικασία είναι εξώθερμη, δηλαδή συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας. 4) Εξανθράκωση (Καύση του μόνιμου άνθρακα). Η τελική καύση των στερεών υπολειμμάτων η οποία αποτελεί και πάλι μία εξώθερμη διαδικασία. Αυτά τα τέσσερα βήματα - που συμβαίνουν είτε μεμονωμένα είτε ταυτόχρονα, αποτελούν την πλήρη καύση του καυσίμου. Για την πλήρη καύση του καυσίμου, οι πιο σημαντικοί παράμετροι είναι η επαφή μεταξύ του αέρα και των σωματιδίων του καυσίμου, η ανάμειξη του αέρα με τα εύφλεκτα αέρια, ο χρόνος παραμονής και η θερμοκρασία. Δεν είναι μόνο οι μέσες τιμές οι οποίες παίζουν κύριο ρόλο, αλλά και η ομοιομορφία, πχ το ομοιόμορφο μέγεθος των σωματιδίων και η ομοιόμορφη θερμοκρασία, που θα οδηγήσουν τελικά σε μία πλήρη καύση με ελάχιστες εκπομπές. Με βάση τα παραπάνω συνεπάγεται ότι οι μικρής κλίμακας θάλαμοι καύσης είναι πιο ευαίσθητοι στην ποιότητα των καυσίμων από ό, τι οι θάλαμοι μεγαλύτερης κλίμακας. (Ανατρέξτε επίσης στις ενότητες γ και ). Σε ορισμένες εφαρμογές είναι επιθυμητό να διαχωριστεί η διεργασία καύσης σε ξεχωριστά βήματα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η βιομάζα ή το στερεό βιοκαύσιμο μετατρέπεται χημικά σε ένα νέο καύσιμο, υγρό ή αέριο, πριν από την τελική καύση. Οι διεργασίες μετατροπής μπορεί να είναι θερμοχημικές, χαμηλής θερμοκρασίας χημικές ή βιοχημικές. Στη θερμοχημική μετατροπή γίνεται χρήση υψηλής θερμοκρασίας και σε ορισμένες περιπτώσεις, αυξημένης πίεσης, για την μετατροπή του στερεού. Στις περισσότερες διεργασίες, η θερμότητα που απαιτείται για τη πραγματοποίηση της χημικής διεργασίας παράγεται από τη μερική καύση της πρώτης ύλης. Ανάλογα με την πραγματική θερμοκρασία και τη διάταξη της διεργασίας, πιο συγκεκριμένα: το σύστημα ανάκτησης θερμότητας, η διαδικασία που ακολουθείται της μερικής οξείδωσης θα προκαλεί απώλειες ενέργειας από την πρώτη ύλη στο τελικό προϊόν. Επίσης, η θερμοκρασία του παραγόμενου καυσίμου θα είναι αυτή της παραπάνω διεργασίας. Εκτός και αν αυτή η αναμενόμενη θερμότητα ανακτάται και χρησιμοποιείται κατά τη διεργασία, θα παρουσιάζονται πρόσθετες απώλειες. Οι θερμοχημικές διεργασίες που περιγράφονται είναι: πυρόλυση χαμηλής θερμοκρασίας, πυρόλυση υψηλής θερμοκρασίας, θερμική υγροποίηση και θερμική αεριοποίηση. Οι χαμηλής θερμοκρασίας χημικές μετατροπές χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή υποκατάστατων ντίζελ (βιο-ντίζελ) από λιπαρά οξέα. Η πρώτη ύλη μπορεί να προέρχεται από φυτικά έλαια από τη γεωργική παραγωγή, κραμβέλαιο, σογιέλαιο και τα συναφή, αλλά και από κατάλοιπα μαγειρικών ελαίων - για παράδειγμα από εστιατόρια ή από την επεξεργασία τροφίμων. Βασικά, κατά τη συγκεκριμένη διεργασία προστίθενται ΟΗ-

5 Κεφάλαιο σελ. 5 (υδροξύλια) από μία αλκοόλη στα μόρια. Γι αυτό η διεργασία, η οποία περιλαμβάνει τη χρήση χημικών ουσιών, όπως η αιθανόλη ή η μεθανόλη, πραγματοποιείται σε χαμηλές θερμοκρασίες και η συνολική μετατροπή μπορεί να είναι σχεδόν 100% με όσο το δυνατόν μικρότερες απώλειες. Το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την προσθήκη αλκοόλης και τυπικά το σύνολο της ενέργειας το οποίο παρέχεται από τις ποσότητες της αλκοόλης αντιστοιχεί σε ποσοστό περίπου 10-20% της ενέργειας του τελικού προϊόντος. Η μόνη διαδικασία που παρουσιάζεται στο συγκεκριμένο σημείο, είναι η παραγωγή του fame (fatty acids methyl esters - μεθυλεστέρες των λιπαρών οξέων). Κατά τη βιοχημική μετατροπή γίνεται χρήση μικροοργανισμών για την μετατροπή του στερεού υλικού. Όπως επισημάνθηκε στο κεφάλαιο και πιο αναλυτικά στο κεφάλαιο 03-03, οι μικροοργανισμοί κατατάσσονται, ανάλογα με τις θερμοκρασίες ανάπτυξης σε ψυχρόφιλους (-15 έως 15 o C), μεσόφιλους (5-50 o C) και θερμόφιλους ( C). Οι κύριες διεργασίες που χρησιμοποιούνται λαμβάνουν χώρα στις μεσοφιλικές, περίπου o C, και οι απώλειες θερμότητας των προϊόντων είναι περιορισμένες. Ωστόσο, ο λόγος για τον οποίο οι μικροοργανισμοί είναι ενεργοί είναι γιατί αποκτούν ενέργεια από τη διεργασία και αυτή η ενέργεια λαμβάνεται από τις πρώτες ύλες. Έτσι, και σε αυτή την περίπτωση, η διεργασία μετατροπής παρουσιάζει απώλειες ενέργειας. Οι βιοχημικές διεργασίες που παρουσιάζονται εδώ είναι η ζύμωση και η αναερόβια χώνευση. Η μετατροπή καυσίμου πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο στις περιπτώσεις κατά τις οποίες η αύξηση της απόδοσης στην τελική διεργασία καύσης είναι αρκετά μεγάλη για να "αναπληρώσει" την ενέργεια που χάνεται κατά τη μετατροπή αυτή ή σε περίπτωση που το αρχικό, στερεό υλικό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συγκεκριμένη διεργασία, έτσι ώστε η μετατροπή του να είναι αναγκαία λόγω των απαιτήσεων της τελικής διεργασίας ή σε περίπτωση που η διαδικασία μετατροπής προσθέτει περιβαλλοντικά οφέλη, όπως η δυνατότητα να καθαρίσει την πρώτη ύλη από εξωγενείς ή ενδογενείς ακαθαρσίες και, συνεπώς, να οδηγήσει στην παραγωγή ενός καθαρού καυσίμου Είναι σημαντικό να λάβουμε υπόψη ότι τα καύσιμα βιομάζας χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή σχεδόν όλων των υλικών - χάλυβας, γυαλί, τσιμέντο, τούβλα - μέχρι τις αρχές του Ως εκ τούτου, η μετατροπή των καυσίμων δεν είναι συνήθως άκρως απαραίτητη από αυστηρής θερμοδυναμικής απόψεως αλλά επιβάλλεται από άλλους λόγους (περιβαλλοντικούς, απαιτήσεις σύγχρονων διεργασιών, κτλ) Πυρόλυση χαμηλών θερμοκρασιών ή φρύξη. Ενώ μία πλήρης διεργασία πυρόλυσης απαιτεί θερμοκρασίες στην περιοχή των C, η διεργασία αυτή ουσιαστικά αρχίζει σε σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες, περίπου 100 C. Όταν η βιομάζα θερμαίνεται - απουσία οξυγόνου - σε θερμοκρασίες περίπου 300 C, θα ξεκινήσει μία μερική διεργασία πυρόλυσης με αποτέλεσμα την ξήρανση του υλικού. Η πυρόλυση σε τόσο χαμηλές

6 Κεφάλαιο σελ. 6 θερμοκρασίες δεν θα προκαλέσει την πλήρη εξάτμιση των βαρύτερων υδρογονανθράκων που παράγονται, αλλά αυτοί θα διατηρηθούν ως ξηρό υπόλειμμα προσδίδοντας στο προϊόν κάποιες υγροσκοπικές ιδιότητες. Ταυτόχρονα, το προϊόν γίνεται εύθραυστο, η θερμογόνος δύναμή του αυξάνεται και η πυκνότητα του μειώνεται. Το κύριο μέρος της τέφρας διατηρείται στο στερεό προϊόν και ως εκ τούτου η περιεκτικότητα σε τέφρα αυξάνεται. Μερικές προσμίξεις καυσίμου, όπως μέρους του θείου και του χλωρίου, θα ελευθερωθούν με την πυρόλυση του αερίου, ενώ άλλες θα παραμείνουν στο στερεό καύσιμο. Η θερμότητα που απαιτείται για τη διεργασία αντιπροσωπεύει μια απώλεια, αλλά παρέχεται από την καύση των αέριων και υγρών προϊόντων της πυρόλυσης και μπορεί να διατηρηθεί πολύ κάτω του 10% της συνολικής ενέργειας που περιέχεται στο αρχικό καύσιμο ανάλογα με την περιεκτικότητα σε υγρασία της πρώτης ύλης. Το στερεό καύσιμο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία διεργασιών. Πυρόλυση υψηλών θερμοκρασιών ή εξανθράκωση. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία πυρόλυσης, τόσο μεγαλύτερο είναι το κλάσμα των πτητικών συστατικών που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και τόσο μικρότερο το κλάσμα των στερεών υπολειμμάτων. Τελικά, περίπου 70-80% της ξηράς ουσίας μπορεί να απελευθερωθεί ως προϊόν πυρόλυσης και μόνο το 20-30% του ξηρού βάρους να διατηρηθεί ως στερεός, μόνιμος άνθρακας, έτσι ώστε η μείωση της πυκνότητας να είναι σημαντική. Δεδομένου ότι σχεδόν όλοι οι υδρογονάνθρακες εκπέμπονται κατά τη διάρκεια αυτής της διεργασίας, το προϊόν δεν θα έχει καθόλου υγροσκοπικές ιδιότητες. Η υψηλή θερμοκρασία της διεργασίας θα απελευθερώσει το κύριο μέρος των πτητικών προσμίξεων όπως το θείο και το χλώριο, τα οποία στη συνέχεια θα μετατραπούν σε υδρόθειο και υδροχλώριο στα αέρια της πυρόλυσης. Η θερμαντική αξία του εναπομένοντος άνθρακα, που στην περίπτωση αυτή είναι σχεδόν καθαρός άνθρακας με την προσθήκη όμως του κύριου μέρους των ορυκτών συστατικών τέφρας που παραμένουν, μπορεί να φτάνει τις τιμές των MJ / kg, αλλά η συνολική ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη διεργασία πυρόλυσης αντιπροσωπεύει περίπου 10-20% της συνολικής ενέργειας που περιέχεται στη πρώτη ύλη - και πάλι ανάλογα με την αρχική περιεκτικότητα σε υγρασία. Ο στερεός άνθρακας που παράγεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία διεργασιών. Η πυρόλυση μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ένα υγρό προϊόν, με τη ρύθμιση της θερμοκρασίας στους 500 o C περίπου και μειώνοντας το χρόνο παραμονής. Για να θερμανθεί η πρώτη ύλη μέσα στο σύντομο χρονικό διάστημα παραμονής που απαιτείται για τη μέγιστη απόδοση της πυρόλυσης του καυσίμου (περίπου 1 δευτερόλεπτο) απαιτείται μια εκ των προτέρων άλεση του υλικού. Το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο, συμπεριλαμβανομένου του καυσίμου πυρόλυσης και του στερεού υπολείμματος, είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις άλλες διεργασίες πυρόλυσης, δηλαδή περίπου 80-90% της ενεργειακής τροφοδοσίας διατηρείται στα προϊόντα.

7 Κεφάλαιο σελ. 7 Το παραγόμενο καύσιμο πυρόλυσης θα αποτελείται από ένα μείγμα υδρογονανθράκων και οργανικών οξέων, νερό, πτητικές προσμείξεις καυσίμου και άλλες ενώσεις ενώ απαιτείται περαιτέρω καθαρισμός και «αναβάθμιση» αυτού εκτός και αν καεί αμέσως. Θερμική υγροποίηση. Σε περίπτωση που η βιομάζα θερμαίνεται σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες - περίπου 400 o C και σε πίεση περίπου 10 bar - παρουσία ατμού και μονοξείδιου του άνθρακα, μεγιστοποιείται η πιθανότητα δημιουργίας ενός υγρού καυσίμου. Η ποιότητα του παραγόμενου υγρού καυσίμου μπορεί - σε κάποιο βαθμό - να ελεγχθεί με τη χρήση καταλυτών. Δεδομένου ότι η διακύμανση των μοριακών βαρών στο υγρό καύσιμο μπορεί να περιοριστεί, το καύσιμο θα έχει γενικά πολύ υψηλότερη ποιότητα από το υγρό της πυρόλυσης αν και ακόμα θα περιέχει ένα σημαντικό ποσό πτητικών προσμείξεων. Η απαίτηση για μια διεργασία υπό πίεση θα περιορίσει τη συνολική απόδοση περίπου στο 80-90%, παρά τη σχετικά χαμηλή θερμοκρασία διεργασίας. Το παραγόμενο προϊόν μπορεί να αναβαθμιστεί περαιτέρω και να μετατραπεί σε ένα καύσιμο υψηλής ποιότητας. Θερμική αεριοποίηση. Στην θερμική αεριοποίηση, ο στόχος της διεργασίας είναι να μετατρέψει πλήρως το στερεό καύσιμο σε ένα εύφλεκτο αέριο μείγμα. Για να επιτευχθεί το παραπάνω, απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες διεργασίας (στην περιοχή C) και ένα σημαντικό τμήμα της ενεργειακής πρώτης ύλης θα μετατραπεί ως αισθητή θερμότητα στο αέριο προϊόν. Στην απλούστερη διαδικασία (αεριοποίηση παρουσία αέρα), τα κυριότερα συστατικά του παραγόμενου αερίου που συνεισφέρουν στη θερμογόνο ικανότητά του είναι το μονοξείδιο του άνθρακα, το υδρογόνο και το μεθάνιο ενώ το αέριο αραιώνεται σε μεγάλο βαθμό από το άζωτο. Το αέριο μπορεί επίσης να επιμολυνθεί σε μεγάλο βαθμό από ανώτερους υδρογονάνθρακες, ανάλογα με τη διάταξη της διεργασίας: ομορροής, αντιρροής και πλήρους ανάμειξης. Οι διεργασίες αντιρροής οδηγούν τελικά στη χαμηλότερη περιεκτικότητα πίσσας στο αέριο καύσιμο. Αντί της τροφοδότησης του αεριοποιητή με αέρα, η χρήση καθαρού οξυγόνου ή μία συνδυασμένη παροχή οξυγόνου και ατμού δίνει τη δυνατότητα να αλλάξουν σημαντικά τα ποσοστά των εύφλεκτων συστατικών των καυσαερίων. Η υψηλή θερμοκρασία της διεργασίας και ο στόχος να μετατραπεί το 100% του στερεού σε αέριο, «εξαναγκάζουν» το κύριο μέρος των προσμείξεων του καυσίμου να εισέλθουν τελικά στην αέρια φάση. Ανεξάρτητα από το μέσο αεριοποίησης που χρησιμοποιείται, παραμένει το γεγονός ότι ένα σημαντικό ποσοστό της ενέργειας της πρώτης ύλης θα παραμένει στην μορφή της αισθητής θερμότητας. Έτσι, ο συνολικός βαθμός απόδοσης που λαμβάνεται κατά τη θερμική αεριοποίηση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σχεδιασμό του συστήματος και από την ανάκτηση και τη χρήση της αισθητής θερμότητας του αέριου καυσίμου. Η επιλογή του μέσου αεριοποίησης και της τεχνολογίας είναι πρωτεύουσας σημασίας για την τελική χρησιμότητα του αέριου καυσίμου την άμεση καύση ή τη μεταγενέστερη σύνθεση «εξευγενισμένων» χημικών προϊόντων. Οι μεθυλεστέρες των λιπαρών οξέων χρησιμοποιούνται κυρίως ως υποκατάστατα ντίζελ (βιο-ντίζελ) από λιπαρά οξέα. Η πρώτη ύλη μπορεί να είναι φυτικό έλαιο από τη γεωργική παραγωγή, κραμβέλαιο, σογιέλαιο και τα συναφή, αλλά και κατάλοιπα φυτικών ελαίων από - για παράδειγμα - εστιατόρια ή από την επεξεργασία τροφίμων. Η πρώτη ύλη πρέπει να

8 Κεφάλαιο σελ. 8 φιλτράρεται και να είναι απαλλαγμένη από στερεές προσμίξεις και νερό πριν από τη διεργασία. Αυτό θέτει κάποιες απαιτήσεις στα στάδια συλλογής και αποθήκευσης προκειμένου να εξασφαλίζουν μια αρκετά καθαρή πρώτη ύλη. Βασικά, η διαδικασία απαιτεί την προσθήκη ΟΗ-(υδροξυλίων) στο λιπαρό οξύ έτσι ώστε να μετατραπεί σε εστέρα. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη μιας αλκοόλης, συνήθως αιθανόλη ή μεθανόλη παρουσία ενός καταλύτη, κυρίως σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε σύγκριση με τα φυτικά έλαια, οι εστέρες έχουν ευνοϊκές ιδιότητες όσον αφορά την αποθήκευση (είναι πιο σταθεροί). Η προκύπτουσα ποιότητα των καυσίμων, όπως μετράται από τον αριθμό κετανίου, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το συνδυασμό των πρώτων υλών και της αλκοόλης, αλλά κάποιοι συνδυασμοί - όπως το λάδι καρύδας και η αιθανόλη - αποφέρουν συνήθως αριθμούς κετανίου > 70. Τέτοια ποιότητα καυσίμων, υπό την προϋπόθεση ότι το καύσιμο δεν είναι επιμολυσμένο, μπορεί να χρησιμεύσει ως υποκατάστατο του ντίζελ, χωρίς να χρειάζεται καμία τροποποίηση του κινητήρα, ενώ τα άλλα καύσιμα, όπως ο μεθυλεστέρας του κραμβέλαιου (RME) που παράγεται από κραμβέλαιο και μεθανόλη, (αριθμός κετανίου 50) απαιτούν συνήθως τροποποιήσεις του κινητήρα. Είναι επίσης σημαντικό να λάβουμε υπόψη ότι το τελικό προϊόν πρέπει να είναι καθαρό έτσι ώστε να είναι απαλλαγμένο από υπολείμματα λιπαρών οξέων και από το νερό, δεδομένου ότι είναι πολύ διαβρωτικά. Η διεργασία περιλαμβάνει τη χρήση κοινών χημικών ουσιών, όπως η αιθανόλη ή η μεθανόλη, πραγματοποιείται σε χαμηλές θερμοκρασίες και η συνολική μετατροπή μπορεί να είναι σχεδόν 100%. Το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο εξαρτάται από την προσθήκη αλκοόλης και τυπικά το σύνολο της ενέργειας που παρέχεται από τα ποσά αλκοόλης είναι περίπου το 10-20% της ενέργειας που περιέχεται στο τελικό προϊόν. Το κύριο υποπροϊόν είναι η γλυκερόλη, η οποία απαιτεί ξεχωριστή διαχείριση. FAME οι μεθυλεστέρες των λιπαρών οξέων - όπως είναι το κοινό ακρωνύμιο για την ομάδα αυτή των καυσίμων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα ντίζελ, καθώς και ως πρόσθετα ντίζελ ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντικατάσταση ελαφριών κλασμάτων πετρελαίου σε οποιαδήποτε διεργασία. Ζύμωση. Η ζύμωση της βιομάζας σε αλκοόλη από κοινή ζύμη περιορίζεται από το γεγονός ότι οι ζυμομύκητες ουσιαστικά μπορούν να ζυμώσουν μόνο τα σάκχαρα με 6 άτομα άνθρακα (εξόζες), ενώ πολλά από τα σάκχαρα που υπάρχουν στη βιομάζα είναι πεντόζες, δηλαδή περιέχουν 5 άτομα άνθρακα. Με φυσική ζύμη η ζύμωση περιορίζεται μόνο στην γλυκόζη, αλλά το άμυλο, καθώς και ορισμένα άλλα είδη σακχάρων, μπορούν να μετατρέπονται ενζυμικά σε γλυκόζη και συνεπώς χαρακτηρίζονται ως ζυμώσιμα. Έτσι, μόνο ορισμένα από τα υλικά εκείνα που χαρακτηρίζονται ως ζυμώσιμα σάκχαρα είναι άμεσα διαθέσιμα για τα ένζυμα και τη ζύμη και είναι φυσικά κατάλληλα για την αλκοολική ζύμωση ενώ τα περισσότερα όχι. Ωστόσο, δύο από τα κύρια συστατικά στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών η κυτταρίνη και η ημικυτταρίνη δημιουργούνται από ζυμώσιμα σάκχαρα. Το πρόβλημα είναι ότι είναι εν μέρει κρυσταλλικά και είναι ενσωματωμένα σε λιγνίνη, με αποτέλεσμα τα σάκχαρα τους να μην είναι προσβάσιμα. Διαφορετικές προεπεξεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης αραιών οξέων, ζεστού νερού ή αμμωνίας επιτρέπουν να σπάσει αυτή η δομή, αποκρυσταλλώνουν (καταστρέφουν το κρυσταλλικό πλέγμα) της κυτταρίνης και καθιστούν τα σάκχαρα της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης προσβάσιμα για μετέπειτα ζυμώσεις. Οι διαδικασίες αυτές βρίσκονται ακόμη υπό εξέλιξη και μέχρι στιγμής

9 Κεφάλαιο σελ. 9 χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος καθώς και από το γεγονός ότι μερικά από τα παραπροϊόντα τους είναι αναστολείς της διαδικασίας ζύμωσης. Υπάρχει επίσης έρευνα σε εξέλιξη που αφορά τη γενετική τροποποίηση των μικροοργανισμών, έτσι ώστε να καταστεί η προ-επεξεργασία περιττή. Το προϊόν από τη ζύμωση είναι μία αραιή αλκοόλη η συγκέντρωση της οποίας πρέπει να αυξηθεί μέσω απόσταξης προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή ποιότητα καυσίμου. Αναερόβια χώνευση. Αυτή είναι μια εντελώς διαφορετική διαδικασία από τη ζύμωση και η οποία μπορεί να λειτουργήσει με ένα ευρύτερο φάσμα υποστρωμάτων. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι σε αυτή τη διεργασία γίνεται χρήση της πρώτης ύλης με τη μορφή πολτού ή ιλύος, όπως η ιλύς λυμάτων ή η βιομηχανική λάσπη από ίνες, η υγρή ζωική κοπριά, τα απορρίμματα τροφίμων και άλλα συναφή υλικά που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας με οποιονδήποτε άλλο τρόπο. Ενώ οι ζυμομύκητες είναι οι κύριοι παράγοντες της ζύμωσης, η χώνευση πραγματοποιείται μέσα από μία πολύπλοκη και διαδοχική αλληλεπίδραση - κυρίως - βακτηρίων. Απλοποιημένη, η αναερόβια χώνευση ξεκινά με το υπόστρωμα που υδρολύεται σε διαλυτές οργανικές ενώσεις, όπως λιπαρά οξέα, σάκχαρα και αμινομάδες. Οι ενώσεις αυτές είναι στη συνέχεια διασπώνται περαιτέρω σε αλκοόλες και οξικό οξύ, το οποίο (οξικό οξύ) τελικά διασπάται σε διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο. Παράλληλα, με το σχηματισμό οξικού οξέος υπάρχει επίσης άμεσος σχηματισμός υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία εν μέρει συνδυάζονται προς μεθάνιο. Δεδομένου κατά τη διάρκεια της χώνευσης σχηματίζεται ένας μεγάλος αριθμός ενδιάμεσων προϊόντων και δεδομένου ότι οι μικροοργανισμοί είναι πολύ ευαίσθητοι στο περιβάλλον διαβίωσής τους, απαιτείται πλήρης έλεγχος της διαδικασίας για να αποφευχθεί συσσώρευση των αναστολέων της διεργασίας. Θερμοκρασία, ph, περιεκτικότητα σε υδρογόνο και άλλοι παράμετροι πρέπει να βρίσκονται υπό παρακολούθηση έτσι ώστε να εξελίσσεται η διεργασία ομαλά. Επίσης, η διεργασία είναι πολύ ευαίσθητη σε αλλαγή της ποιότητας των πρώτων υλών. Περισσότερες πληροφορίες για αυτό το θέμα βρίσκονται στις ενότητες α, α β και α γ καθώς και στις α και β. Το προϊόν από την αναερόβια χώνευση είναι ένα μίγμα αερίων, κυρίως μεθανίου, περίπου %, διοξειδίου του άνθρακα κατά % και υδρόθειου, αμμωνίας, υδροχλωρίου και άλλων προσμίξεων. Το αέριο προϊόν περιγράφεται με περισσότερη λεπτομέρεια στις ενότητες α και β. Το αέριο μπορεί να καεί σε λέβητες ή σε μηχανές εσωτερικής καύσης χωρίς αναβάθμιση ωστόσο είναι πιο συνηθισμένο να πραγματοποιείται πρώτα η αναβάθμιση του αερίου σε ποσοστά μεθανίου άνω του 95% με προσρόφηση ή πλύση υπό πίεση α: Η θερμογόνος ικανότητα Για πρακτικούς λόγους, ένα υγρό στερεό καύσιμο αποτελείται από δύο βασικά συστατικά, και συγκεκριμένα: - Νερό - Ξηρά ουσία

10 Κεφάλαιο σελ. 10 Η ξηρά ουσία, με τη σειρά της, μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από τρεις διαφορετικές ουσίες: - Πτητικές ουσίες. Το κατά βάρος κλάσμα της ξηράς ουσίας που χάνεται κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης. - Μόνιμος άνθρακας: Το ανθρακούχο υπόλειμμα μετά την πυρόλυση. - Τέφρα. Το υπόλειμμα μετά την πλήρη καύση. Το περιεχόμενο νερό του καυσίμου πρέπει να προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο EN Το ποσό της τέφρας σε ένα καύσιμο παρουσιάζεται συνήθως ως κλάσμα βάρους επί ξηρού και θα πρέπει να προσδιορίζεται σύμφωνα με τη μέθοδο που αναφέρεται στο πρότυπο EN Το περιεχόμενο των πτητικών ουσιών συνήθως ορίζεται ως το βάρος-% επί ξηρού και πρέπει να προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο EN Η ενέργεια στο καύσιμο βρίσκεται σε λανθάνουσα κατάσταση σε κάποια τμήματα της ουσίας και μειώνεται από την παρουσία νερού και ανόργανων ενώσεων. Δεδομένου ότι το συνολικό ενεργειακό περιεχόμενο είναι μείζονος σημασίας για την χρηστικότητα του καυσίμου, η θερμογόνος ικανότητα θα εξεταστεί τώρα λεπτομερώς. Η γενική μέθοδος για τον προσδιορισμό της θερμογόνου ικανότητας περιγράφεται στο Ευρωπαϊκό πρότυπο EN Σκοπός αυτού του προτύπου είναι να ορίσει μια μέθοδο για τον προσδιορισμό της θερμογόνου ικαν πτητας των στερεών βιοκαυσίμων υπό σταθερό όγκο και σε θερμοκρασία αναφοράς 25 C σε θερμιδόμετρο βόμβας βαθμονομημένο από την καύση πιστοποιημένου δείγματος βενζοϊκού οξέος. Το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι η Ανώτερη Θερμογόνος Ικανότητα (ΑΘΙ) του υπό ανάλυση δείγματος υπό σταθερό όγκο και με όλο το νερό από τα προϊόντα καύσης να βρίσκεται σε υγρή μορφή. Στην πράξη, τα βιοκαύσιμα καίγονται σε σταθερή (ατμοσφαιρική) πίεση και το νερό μπορεί είτε να μην είναι συμπυκνωμένο (απομακρύνεται ως ατμός με τα απαέρια) είτε να συμπυκνώνεται. Για πρακτικούς λόγους, η θερμότητα καύσης που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές είναι η Κατώτερη Θερμογόνος Ικανότητα (ΚΘΙ) του καυσίμου υπό σταθερή πίεση στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρεται ως Lower Heating Value (LHV) ή Net Calorific Value (NCV). Ένα θερμιδόμετρο βόμβας είναι μια καλά καθορισμένο κλειστό δοχείο (βόμβα) πλήρως βυθιζόμενο σε καλά αναδευόμενη γνωστή ποσότητα νερού. Για υψηλή ακρίβεια, το δοχείο που περιέχει το νερό (και ως εκ τούτου η βόμβα) πρέπει να είναι μονωμένα (θερμικά). Η θεωρία πίσω από τη μέτρηση είναι η ακόλουθη: Μια καλά καθορισμένη ποσότητα καυσίμου εισάγεται στη βόμβα, η οποία στη συνέχεια γεμίζει με επαρκή ποσότητα οξυγόνου για την πλήρη καύση του καυσίμου καθώς επίσης και με μία ορισμένη ποσότητα νερού

11 Κεφάλαιο σελ. 11 Η βόμβα στη συνέχεια σφραγίζεται, τοποθετείται σε υδατόλουτρο και αφήνεται να φτάσει σε μια σταθερή θερμοκρασία σε ισορροπία με το νερό σε αρχική θερμοκρασία t i Το καύσιμο αναφλέγεται με την προσθήκη ενός σαφώς καθορισμένου ποσού ενέργειας q ign Δεδομένου ότι τα καύσιμα καίγονται στο κλειστό δοχείο, η θερμοκρασία του δοχείου και του περιεχόμενου νερού θα αυξηθεί και πρέπει να καταγραφεί Όταν η θερμοκρασία σταθεροποιηθεί σε τελική τιμή t f, καταγράφεται και η συνολική μεταβολή της χρησιμοποιείται για να αξιολογηθεί η συνολική μεταβολή της ενέργειας στο σύστημα Πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε η μεταβολή θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της μέτρησης [t i, t f ] να περιλαμβάνει τους 25 o C και να μην είναι πολύ μικρή. Μετά την αφαίρεση της ενέργειας ανάφλεξης και άλλων γνωστών προσθηκών, το προκύπτον ποσό της ενέργειας αντιπροσωπεύει την καθαρή θερμογόνο δύναμη του δείγματος υπό σταθερό όγκο. Η τιμή αυτή στη συνέχεια υπόκειται σε υπολογισμούς έτσι ώστε να προκύψει τελικά η ΚΘΙ του δείγματος υπό συνεχή πίεση. Το θερμιδόμετρο βαθμονομείται πριν από κάθε μέτρηση ώστε να διασφαλιστεί η σταθερότητα του οργάνου. Η ΑΘΙ περιλαμβάνει όχι μόνο τη χημική ενέργεια που απελευθερώνεται από τα καιόμενα υλικά, αλλά και τη θερμότητα που εκλύεται κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσης υδρατμών μετά την καύση, δηλαδή 44,01 kj/mol για την αντίδραση H 2 O (g) H 2 O (l ). Η συνολική ποσότητα του νερού στα αέρια καύσης καθορίζεται από την περιεκτικότητα σε υγρασία του δείγματος και από την ποσότητα του νερού που σχηματίζεται κατά την καύση του υδρογόνου που περιέχεται στο καύσιμο. Το αποτέλεσμα επηρεάζεται επίσης από το περιεχόμενο των καυσίμων σε θείο και σε κάποια άλλα στοιχεία. Ως εκ τούτου, για να μπορέσει να γίνει ο υπολογισμός της ΚΘΙ, πρέπει να είναι γνωστή η στοιχειακή ανάλυση της καύσιμης ουσίας. Τα σχετικά πρότυπα είναι τα εξής: ΕΝ και ΕΝ Η ΚΘΙ (Q net ) υπό σταθερή πίεση αποτελεί το μέγεθος του οποίου η μέτρηση θα χρησιμοποιηθεί περισσότερο για πρακτικούς λόγους. Αυτή η τιμή αντιπροσωπεύει τη συνολική ενέργεια που μπορεί να απελευθερωθεί από τα καύσιμα, όταν καούν πλήρως και όταν τα προϊόντα της καύσης, τα καυσαέρια, συμπεριλαμβανομένων και των υδρατμών, εγκαταλείπουν το θάλαμο καύσης σε αέρια μορφή. Δεδομένου ότι, η ΚΘΙ δεν περιλαμβάνει τη θερμότητα που λαμβάνεται από τη συμπύκνωση των υδρατμών έχει χαμηλότερη τιμή από την ΑΘΙ. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο εργαστηριακός υπολογισμός της ΚΘΙ έχει διαφορές σε σχέση με την πραγματική τιμή του καυσίμου ως έχει και επομένως ο υπολογισμός πρέπει να πραγματοποιείται εκ νέου για να αντιστοιχεί στην πραγματική ΚΘΙ του καυσίμου, όπως αυτό παραδίδεται στη μονάδα παραγωγής ενέργειας. Το Ευρωπαϊκό πρότυπο που εφαρμόζεται στην προκειμένη περίπτωση είναι το EN Όπως φαίνεται στην ενότητα γ, η τάξη μεγέθους για την ΚΘΙ για ξηρή, άνευ τέφρας βιομάζα κυμαίνεται από 10 έως 25 MJ/kg. Αν η ΚΘΙ q o NET είναι γνωστή (MJ/kg) από μία

12 Κεφάλαιο σελ. 12 εργαστηριακή ανάλυση για ένα συγκεκριμένο δείγμα καυσίμου με περιεκτικότητα σε υγρασία f o W και τέφρα f o ASH, εκφραζόμενα σε κλάσματα κατά βάρος επί υγρού (f o w) και επί ξηρού (f o ASH) αντίστοιχα, τότε η τιμή αναφοράς Q net,daf, υπολογίζεται από τον τύπο: q O O q NET fw, = MJ/kg DAF NET DAF O O ( 1 f ) ( 1 f ) W ASH Για ενδεικτικές τιμές ανατρέξτε στον πίνακα της ενότητα γ. Αν το καύσιμο που παραδίδεται στη μονάδα μπορεί να θεωρηθεί πως αποτελείται από την ίδια ξηρή και απαλλαγμένη από τέφρα ουσία, δηλαδή για όσο διάστημα το καύσιμο προέρχεται από το ίδιο βιολογικό είδος, η ΚΘΙ σε οποιαδήποτε περιεκτικότητα υγρασίας f W ή τέφρας f ASH, και πάλι εκφραζόμενα ως κλάσματα κατά βάρος επί υγρού και επί ξηρού αντίστοιχα, όπως δηλαδή μετρούνται συνήθως, μπορεί πλέον να υπολογίζεται από την τιμή αναφοράς με βάση τον τύπο: q NET ( 1 fw ) ( 1 f ASH ) 2. fw = q NET, DAF 443 MJ/kg Ένα παράδειγμα: Ας υποθέσουμε ότι το πρωτόκολλο του εργαστηρίου αναφέρει ότι ένα δείγμα καυσίμου έχει περιεκτικότητα σε υγρασία (επί υγρού) 31,6% και περιεκτικότητα σε τέφρα (επί ξηρού) 4,3%. Η ΚΘΙ για το δείγμα «ως έχει» στο εργαστήριο (δηλαδή υγρασία 31,6%, τέφρα 4,3%) είναι 12,47 MJ/kg. Με αυτές αυτές τις τιμές, μπορεί κανείς να υπολογίσει τώρα την τιμή αναφοράς για αυτή την βιομάζα: O O q NET fw q = MJ/kg DAF = NET, DAF O ( 1 f ) ( 1 ) O ( ) ( ) W f ASH Για μελλοντικούς υπολογισμούς της ΚΘΙ παρόμοιου καυσίμου - δηλαδή βιομάζας από το ίδιο βιολογικό είδος - θα πρέπει να είναι γνωστή μόνο η περιεκτικότητα υγρασίας και η περιεκτικότητα τέφρας. Ας υποθέσουμε ότι ένα καύσιμο έχει τέφρα (επί ξηρού) 6,35% και περιεκτικότητα υγρασίας 48,72% τότε η κατώτερη θερμογόνος δύναμη είναι: q NET q = MJ/kg ( 1 fw ) ( 1 f ASH ) ( ) ( ) f = NET, DAF W = Για κλάσματα υπολειμμάτων η διαδικασία υπολογισμού γίνεται πιο περίπλοκη, δεδομένου ότι αποτελούνται από διάφορες πρώτες ύλες και δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελούν πάντα την ίδια ξηρή και απαλλαγμένη από τέφρα ουσία. Αυτό εξετάζεται λεπτομερέστερα στο Κεφάλαιο

13 Κεφάλαιο σελ : Στερεή βιομάζα Στερεά βιοκαύσιμα Ενέργεια Όταν η βιομάζα σχηματίζεται μέσω φωτοσύνθεσης βρίσκεται σε στερεή μορφή. Έτσι, ο πιο προφανής τρόπος για την αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχομένου της βιομάζας είναι η άμεση καύσης της. Αυτή είναι και η συντομότερη δυνατή διαδρομή με το μεγαλύτερο ενδεχόμενο αποφυγής απωλειών και τη μεγιστοποίηση της συνολικής απόδοσης. Η προεπεξεργασία της βιομάζας σε βιοκαύσιμα είναι επίσης η απλούστερη δυνατή διαδρομή, σε πολλές περιπτώσεις αφορά μόνο την ξήρανση στον αέρα (ενότητα γ) και τη μείωση του μεγέθους της ( δ). Η ενέργεια που απελευθερώνεται από την απευθείας καύση έχει τη μορφή των προϊόντων της θερμής καύσης ή των καυσαερίων και η διεργασία η οποία εκμεταλλεύεται αυτή τη θερμότητα σχετίζεται με τη μεταφορά θερμότητας από τα θερμά αέρια στο επιθυμητό προϊόν. Σε περίπτωση βιομηχανικών διεργασιών υψηλής θερμοκρασίας, όπως η κατασκευή γυαλιού, η παραγωγή χάλυβα, η παραγωγή τσιμέντου ή άλλες παρόμοιες, προσμείξεις ή χημικές ενώσεις που περιέχονται στα απαέρια μπορεί να προκαλέσουν αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα των καυσίμων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, πρέπει να ληφθούν μέτρα για την προστασία του προϊόντος από τα αέρια και ο εξοπλισμός καύσης επιβάλλεται να γίνει περισσότερο περίπλοκος για να είναι βιώσιμος. Για ορισμένες διεργασίες, εντούτοις, αυτό δεν αποτελεί μείζον πρόβλημα καθώς οι τσιμεντοκλίβανοι όπως και οι κλίβανοι αποτέφρωσης συχνά τροφοδοτούνται με απόβλητα ως συμπληρωματικό καύσιμο. Για τις εφαρμογές αυτές, το καύσιμο πρέπει να είναι αρκετά ξηρό για να παρέχει την επιθυμητή θερμοκρασία. Στην ανθρώπινη ιστορία, η κύρια διεργασία κατά την οποία επιτυγχάνονται εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες είναι η εξανθράκωση. Για την παραγωγή ατμού για βιομηχανική χρήση - για τη χημική βιομηχανία ή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας - οι προσμίξεις είναι μικρότερης σημασίας, εκτός αν τα καυσαέρια περιέχουν πολλά διαβρωτικά συστατικά. Με τη μη επεξεργασμένη βιομάζα αυτό δεν αποτελεί τις περισσότερες φορές πρόβλημα, ενώ τα κλάσματα αποβλήτων είτε «καθαρά» είτε προερχόμενα από μια διαδικασία συλλογής μπορεί να αποδειχθούν προβληματικά. Για τα απόβλητα, το υλικό στους υπερθερμαντήρες θα πρέπει να επιλεγεί σύμφωνα με τη σύνθεση του καυσίμου. Οι επιθυμητές θερμοκρασίες για την παραγωγή ατμού είναι συνήθως κάτω από τους 700 o C και οι απαιτήσεις για την ξηρότητα των καυσίμων δεν είναι ως εκ τούτου ζωτικής σημασίας. Για την παραγωγή θερμού νερού με στόχο τη θέρμανση χώρου, σε μεμονωμένα κτίρια καθώς και σε εφαρμογές τηλεθέρμανσης, οι απαιτήσεις είναι μικρότερες τόσο όσον αφορά τη κατάλληλη θερμοκρασία όσο και για τις προσμίξεις του καυσίμου.

14 Κεφάλαιο σελ. 14 Βιομάζα Προ-επεξεργασία Βιοκαύσιμο Τελική διεργασία/υπηρεσία Ξυλώδης βιομάζα υπολείμματα υλοτομίας, κλαδέματα κλπ. Μείωση μεγέθους και ξήρανση Κούτσουρα Τεμάχια ξύλου Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας Παραγωγή ατμού Ξυλώδη υπολείμματα πριονίδι, ξέσματα κλπ. Ξυλώδη υπολείμματα πριονίδι, ξέσματα κλπ. Αγροτικά υπολείμματα συμπεριλαμβανομένων των ενεργειακών καλλιεργειών Αγροτικά υπολείμματα συμπεριλαμβανομένων των ενεργειακών καλλιεργειών Αγροτικά υπολείμματα συμπεριλαμβανομένων των ενεργειακών καλλιεργειών Αστικά στερεά απόβλητα Μόνο καθαρά κλάσματα Αστικά στερεά απόβλητα Μόνο καθαρά κλάσματα Αστικά στερεά απόβλητα Μόνο καθαρά κλάσματα Βιομηχανικά /Αστικά λύματα Μείωση μεγέθους και ξήρανση, άλεση και συμπύκνωση Μείωση μεγέθους και ξήρανση και συμπύκνωση Μείωση μεγέθους και ξήρανση Μείωση μεγέθους, ξήρανση, άλεση, ανάμειξη με συνδετικό υλικό (λιγνίνη;) και συμπύκνωση Μείωση μεγέθους, ξήρανση, άλεση, και συμπύκνωση Μπρικέτες ξύλου Πελλέτες ξύλου Υψηλή ποιότητα Μπρικέτες ξύλου Πελλέτες ξύλου Χαμηλή ποιότητα Κομμάτια Αγρό-Μπρικέτες Αγρό-Πελλέτες Υψηλή ποιότητα Αγρό-Μπρικέτες Αγρό-Πελέτες Χαμηλή ποιότητα Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας Παραγωγή ατμού Άλεση, καύση κονιοποιημένου καυσίμου. Παραγωγή θερμότητας / ατμού, μικτή καύση; Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας Παραγωγή ατμού Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας Παραγωγή ατμού Άλεση, καύση κονιοποιημένου καυσίμου. Παραγωγή θερμότητας / ατμού, μικτή καύση Μείωση μεγέθους Κομμάτια Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας Παραγωγή ατμού Μείωση μεγέθους, ξήρανση, άλεση, ανάμειξη με συνδετικό υλικό (λιγνίνη;) και συμπύκνωση Μείωση μεγέθους, ξήρανση, άλεση, και συμπύκνωση Μπρικέτες αποβλήτων Πελλέτες αποβλήτων Υψηλή ποιότητα Μπριγκέτες αποβλήτων Πελλέτες αποβλήτων Χαμηλή ποιότητα Μείωση μεγέθους Τεμάχια / Κομμάτια Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας Παραγωγή ατμού Άλεση, καύση κονιοποιημένου καυσίμου. Παραγωγή θερμότητας / ατμού, μικτή καύση Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας

15 Κεφάλαιο σελ. 15 Ξυλεία κατεδάφισης, καλούπια από εργασίες ξυλείας κτλ. Διάφορα Απανθράκωση ή Φρύξη Εξανθράκωμα Παραγωγή ατμού Άλεση, καύση κονιοποιημένου καυσίμου. Παραγωγή θερμότητας / ατμού, μικτή καύση Πίνακας : Συνήθεις διεργασίες για στερεή βιομάζα στερεό βιοκαύσιμο ενέργεια Από τις 11 αλυσίδες διεργασιών στον παραπάνω πίνακα, τέσσερις καταλήγουν στην καύση κονιοποιημένου καυσίμου αφού προηγηθεί άλεση των στερεών καυσίμων, ενώ οι υπόλοιπες επτά είναι οι πλέον κατάλληλες για την απευθείας καύση του καυσίμου, ως έχει. Μηχανικά ανθεκτικές πελλέτες ή μπρικέτες, δηλαδή προϊόντα υψηλής ποιότητας, αποτελούν κατάλληλη επιλογή για χρήση σε εφαρμογές μικρής κλίμακας, όπως μονοκατοικίες, τα χαρακτηριστικά των οποίων περιγράφονται στην ενότητα Σχετικά πρότυπα ποιότητας για πελλέτες και μπριγκέτες αποτελούν τα ΕΝ και αντίστοιχα, αλλά επίσης και τα EN και αποδεικνύονται χρήσιμα σε ορισμένες περιπτώσεις. Για τη χρήση άλλων μορφών βιομάζας, όπως τεμάχια ξύλου, η κλίμακα εφαρμογής δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή εκτός και αν η απόδοση της καύσης και οι περιβαλλοντικές συνθήκες «θυσιαστούν». Η τηλεθέρμανση (ενότητα ε) είναι συνήθως η πλέον ενδεδειγμένη. Σχετικά πρότυπα ποιότητας των καυσίμων είναι το EN και -5. Τα καυσόξυλα και τα κομμάτια ξύλου μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε μονοκατοικίες και αυτές οι περιπτώσεις αναφέρονται στις ενότητες α έως δ. Η καύση κονιοποιημένου καυσίμου χρησιμοποιείται συνήθως σε μεγάλης κλίμακας μονάδες καύσης άνθρακα. Στερεά βιοκαύσιμα «εύκολα» στην άλεση, όπως μη-ανθεκτικές πελλέτες και μπρικέτες, είναι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν ως συμπληρωματικό καύσιμο στις μονάδες αυτές. Αυτό περιγράφεται στην ενότητα μ : Στερεή βιομάζα Υγρά βιοκαύσιμα Ενέργεια Σε ορισμένες εφαρμογές μπορεί να είναι επιθυμητό να μην χρησιμοποιούνται τα βιοκαύσιμα σε στερεά μορφή, αλλά να είναι αναγκαία η μετατροπή τους. Ένας σημαντικός τομέας που απαιτεί αυτή τη μετατροπή των καυσίμων είναι ο τομέας των μεταφορών. Ο κύριος λόγος για αυτό είναι ότι η υπάρχουσα υποδομή στον τομέα των μεταφορών αφορά τη διανομή υγρών καυσίμων υψηλής ενεργειακής πυκνότητας (Κεφάλαιο β), όπως η βενζίνη και το πετρέλαιο ντίζελ. Τα υγρά καύσιμα υψηλής ενεργειακής πυκνότητας είναι επίσης επωφελή σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές λόγω της απλότητας στη διαχείριση και των υψηλών αποδόσεων τους.

16 Κεφάλαιο σελ. 16 Έτσι, μπορεί να υπάρχουν διάφοροι λόγοι για τη μετατροπή στερεών καυσίμων: η ευκολία (και το χαμηλό κόστος) χειρισμού και η οικονομικότητα και η απόδοση των διεργασιών είναι οι κυριότεροι. Η τρίτη πτυχή είναι το δυνητικό όφελος ως προς τις περιβαλλοντικές επιδόσεις: ο διαχωρισμός των προσμείξεων των καυσίμων μπορεί μερικές φορές να συμπεριληφθεί στη διαδικασία μετατροπής των καυσίμων. Ως εκ τούτου, μία επιμολυσμένη πρώτη ύλη μπορεί να μετατραπεί σε καθαρό καύσιμο ή οι συνθήκες καύσης μπορεί να βελτιωθούν, έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι εκπομπές από την τελική διεργασία καύσης όπου και το καύσιμο πράγματι χρησιμοποιείται. Ο απώτερος στόχος σε μια διεργασία υγροποίησης είναι να διατηρήσει όλη την ενέργεια της πρώτης ύλης και να μετατρέψει πλήρως τον μεταφορέα ενέργειας σε υγρό. Η συνολική ενέργεια που περιέχεται στο παραγόμενο υγρό είναι εν μέρει θερμότητα, ανάλογα με τη θερμοκρασία της διεργασίας, εν μέρει χημική ενέργεια. Δεδομένου ότι κάθε διεργασίας μετατροπής περιλαμβάνει απώλειες ενέργειας, είναι σημαντικό οι απώλειες αυτές να «εξισορροπούνται», είτε με εξοικονόμηση ενέργειας κατά το στάδιο του χειρισμού, είτε με περιβαλλοντικά οφέλη και αύξηση της απόδοσης κατά την τελική χρήση του καυσίμου. Η εισροή ενέργειας που απαιτείται για την διεργασία μετατροπής των καυσίμων πρέπει στο μέτρο του δυνατού να παρέχεται από ένα απορριπτόμενο κλάσμα καυσίμου. Μερικές φορές, όμως, όπως στην περίπτωση της θερμικής υγροποίησης, η διεργασία απαιτεί το καύσιμο να είναι κατακερματισμένο σε μικρά σωματίδια σε περιβάλλον αυξημένης πίεσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις, εξωτερική ενέργεια - συνήθως ηλεκτρική ενέργεια - καταναλώνεται στη διεργασία ενώ το κόστος και το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο επηρεάζονται ανάλογα. Βιοχημικές διεργασίες, όπως η ζύμωση ή η χώνευση, που πραγματοποιούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες, μπορεί να παρουσιάσουν ένα καλύτερο συνολικά ισοζύγιο ενέργειας σε σχέση με τις θερμικές διεργασίες, ωστόσο πάντα θα υπάρχουν απώλειες. Οι βιοχημικές διεργασίες απαιτούν η πρώτη ύλη να μην είναι ιδιαίτερα ξηρή, ωστόσο τρέχουσες ερευνητικές προσπάθειες στοχεύουν στη μείωση των απαιτήσεων σε υγρασία. Αυτές οι διεργασίες περιγράφονται πιο αναλυτικά στις ενότητες και Για τη βελτίωση των ιδιοτήτων του καυσίμου είναι σημαντικό κατά τη διεργασία μετατροπής να πραγματοποιείται διαχωρισμός ενός ή περισσότερων συστατικών. Η πυρόλυση υγρού, στερεού και επιμολυσμένου, υλικού που ακολουθείται από μια μεταγενέστερη καύση του υγρού ελαίου και του εξανθρακώματος δεν οδηγεί απαραίτητα σε αύξηση της θερμοκρασίας καύσης ούτε μειώνει τα ποσοστά των εκπομπών. Μόνο αν το νερό αφαιρεθεί από το έλαιο προκαλείται αύξηση της θερμοκρασίας καύσης, αλλά τότε με αυτόν τον τρόπο προστίθεται ένα επιπλέον στάδιο στη διεργασία με αποτέλεσμα να απαιτείται περισσότερη εξωτερική εισροή ενέργειας. Το ίδιο πράγμα ισχύει και για τις προσμίξεις του καυσίμου: μόνο αν αφαιρεθούν οι προσμίξεις θα μειωθεί ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος, αλλά και πάλι απαιτείται εξωτερική εισροή ενέργειας. Ως εκ τούτου, η μετατροπή των καυσίμων δεν πρέπει να συγχέεται με την αναβάθμιση του καυσίμου: η αναβάθμιση μπορεί να περιλαμβάνεται ή να μην περιλαμβάνεται στη διαδικασία μετατροπής.

17 Κεφάλαιο σελ. 17 Βιομάζα Προεπεξεργασία Βιοκαύσιμο Τελική διεργασία/υπηρεσία Ξυλώδης βιομάζα, γεωργικά υπολείμματα η στερεά αστικά λύματα, πολύ υγρά για καύση Μείωση μεγέθους και ξήρανση ακολουθούμενη από αυτοθερμική πυρόλυση ή υγροποίηση Αέριο πυρόλυσης, έλαιο και πίσσα Εξανθράκωμα Άμεση καύση Παραγωγή θερμότητας ή Παραγωγή ατμού Υπολείμματα πλούσια σε σάκχαρα γεωργικής ή αγροβιομηχανικής προέλευσης συμπεριλαμβανομένων ενεργειακών καλλιεργειών Απομάκρυνση ατμού Μείωση μεγέθους, ζύμωση και απόσταξη Βιο-αιθανόλη Καύσιμο μεταφορών Πρόσθετο βενζίνης ή Άμεση καύση Υπολείμματα πλούσια σε κυτταρίνη γεωργικής ή αγροβιομηχανικής προέλευσης συμπεριλαμβανομένων μερικών κλασμάτων αποβλήτων Ενζυματική/όξινη αποικοδόμηση της κυτταρίνης, ζύμωση και απόσταξη Βιο-αιθανόλη Καύσιμο μεταφορών Πρόσθετο βενζίνης ή Άμεση καύση Υπολείμματα πλούσια σε έλαια γεωργικής ή αγροβιομηχανικής προέλευσης συμπεριλαμβανομένων ενεργειακών καλλιεργειών Ψυχρή έκθλιψη, εστεροποίηση Βιο-έλαιο ή Βιο-ντίζελ Καύσιμο μεταφορών Πρόσθετο βενζίνης ή Άμεση καύση Διάφορα Θερμική αεριοποίηση προς αέριο σύνθεσης, καθαρισμός από τα δηλητήρια καταλυτών και χημική σύνθεση Βιο-μεθανόλη Βιο-ντίζελ Βιοδιμεθυλεστέρας Καύσιμο μεταφορών Υποκατάστατα ή πρόσθετα ντίζελ ή βενζίνης ή Άμεση καύση Πίνακας : Διεργασίες για στερεή βιομάζα υγρά βιοκαύσιμα ενέργεια.

18 Κεφάλαιο σελ. 18 Όπως φαίνεται από τον πίνακα, η κύρια αγορά για την παραγωγή υγρών καυσίμων είναι ο τομέας των μεταφορών και η κύρια εναλλακτική λύση είναι η άμεση καύση. Για βιομηχανική χρήση της ελαίου πυρόλυσης ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων, η ποιότητα του είναι ζωτικής σημασίας. Προκειμένου να μην περιέχει διαβρωτικές ουσίες, να μην είναι επικίνδυνο και ταυτόχρονα να είναι αρκετά σταθερό ώστε να πληρούνται οι απαιτήσεις αποθήκευσης και χειρισμού, το έλαιο πυρόλυσης πρέπει να υποστεί αναβάθμιση πριν την παράδοσή του : Στερεή βιομάζα Αέριο βιοκαύσιμο Ενέργεια Η θερμική αεριοποίηση είναι μια από τις πιο πολύπλοκες διεργασίες μετατροπής, αλλά αποτελεί επίσης τη διεργασία που δημιουργεί περισσότερες πιθανότητες για περαιτέρω επεξεργασία. Ο απώτερος στόχος μια διεργασίας αεριοποίησης είναι να διατηρήσει όλη την ενέργεια στην πρώτη ύλη, αλλά και να μετατρέψει πλήρως τον ενεργειακό φορέα σε αέρια μορφή. Η συνολική ενέργεια που περιέχεται στο παραγόμενο αέριο είναι εν μέρει θερμότητα εξαιτίας της αυξημένης θερμοκρασίας της διεργασίας και εν μέρει περιεχόμενη χημική ενέργεια. Για να επιτευχθεί αυτό, όλα τα πτητικά συστατικά πρέπει να ελευθερωθούν από το στερεό υλικό και όλο το εξανθράκωμα πρέπει να αεριοποιηθεί. Η διεργασία περιλαμβάνει έναν τεράστιο αριθμό ενδόθερμων χημικών αντιδράσεων, όπως η ξήρανση, η απομάκρυνση των πτητικών ουσιών και ο σχηματισμός του μεθανίου από μονοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς, όμως για να πραγματοποιηθούν οι συγκεκριμένες αντιδράσεις η διεργασία πρέπει να τροφοδοτηθεί με ενέργεια. Για να επιτευχθεί αυτό και να χαρακτηριστεί η διεργασία ως αυτοθερμική (δηλαδή να μην απαιτείται εξωτερική εισροή ενέργειας ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία), μέρος του καυσίμου πρέπει να καεί. Για να ελαχιστοποιηθεί το ποσοστό των καυσίμων που χάνονται από αυτή τη μερική καύση, η τροφοδοσία πρέπει να είναι αρκετά ξηρή, συνήθως με υγρασία μικρότερη από 20%. Τα κύρια πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη θερμική αεριοποίηση της στερεάς βιομάζας είναι τα εξής τέσσερα: Δεδομένου ότι οι θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της αεριοποίησης είναι χαμηλότερες σε σχέση με διεργασίες άμεσης καύσης, πρώτες ύλες με τεφρές που λιώνουν σε χαμηλές θερμοκρασίες εμφανίζουν λιγότερα λειτουργικά προβλήματα. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει ένα μεγάλο αριθμό ποωδών πρώτων υλών και κλασμάτων αποβλήτων. Έτσι, η συγκεκριμένη διεργασία μπορεί να είναι πιο ευέλικτη από την άμεση καύση ως προς κάποιες ιδιότητες του καυσίμου. Ο ειδικός όγκος του αερίου καυσίμου (m 3 /kg πρώτης ύλης) που παράγεται κατά την αεριοποίηση είναι σημαντικά μικρότερος από το συνολικό όγκο των καυσαερίων (m 3 /kg πρώτης ύλης) που παράγεται κατά την άμεση καύση. Αυτό μπορεί να διευκολύνει την οικονομική απομάκρυνση των προσμίξεων των αερίων καυσίμων πριν από την τελική καύση του αερίου. Ωστόσο, ο καθαρισμός του αερίου συνήθως απαιτεί το αέριο να ψυχθεί και αυτό συνεπάγεται απώλεια ενέργειας. Η ποιότητα του αέριου προϊόντος μπορεί να κυμαίνεται μέσα σε μεγάλο εύρος ποιότητας, από τους απλούστερους αεριοποιητές που παράγουν υγρό αέριο με υψηλές

19 Κεφάλαιο σελ. 19 συγκεντρώσεις αζώτου και πίσσας, κυρίως κατάλληλου για άμεση καύση μέχρι εξαιρετικά προηγμένες διεργασίες αεριοποίησης που παράγουν αέριο σύνθεσης που θα χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την παραγωγή αναβαθμισμένων χημικών προϊόντων. Για να βελτιωθεί η ευελιξία χρήσης των καυσίμων σε μια ενεργειακή μονάδα ένας απλός αεριοποιητής συνδεδεμένος άμεσα με έναν ατμολέβητα μπορεί να είναι αρκετός, ενώ για το αέριο σύνθεσης που παράγεται από μια «ποιοτικότερη» διεργασία συνδεδεμένη με έναν αντιδραστήρα Fischer-Tropsch μπορεί να είναι η βάση - για παράδειγμα μιας εγκατάστασης παραγωγής βιομεθυλεστέρα. Το τελικό προϊόν δεν είναι ανάγκη να περιορίζεται στα καύσιμα, αλλά αυτή η διαδικασίασενάριο μπορεί να είναι η καρδιά ενός βιοδιυλιστηρίου με σχεδόν οποιοδήποτε αριθμό και ποικιλία προϊόντων. Εάν συνδεθεί με μια διεργασία συνδυασμένου κύκλου για την παραγωγή ηλεκτρισμού η συνολική απόδοση, όπως υπολογίζεται από την λανθάνουσα ενέργεια της τροφοδοτούμενης βιομάζας προς την ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτείται στο δίκτυο μπορεί να βελτιωθεί. Για να είναι βιώσιμη η εφαρμογή αυτή απαιτεί μια μεγάλης κλίμακας μονάδες. Τα μειονεκτήματα σχετίζονται κυρίως με την οικονομία - η επένδυση και το λειτουργικό κόστος του αεριοποιητή δεν αντικαθιστά το κόστος επένδυσης και λειτουργίας για την εγκατάσταση καύσης, αλλά είναι πρόσθετο σε αυτό. Το δεύτερο μειονέκτημα είναι οι απώλειες και το θεμελιώδες γεγονός ότι οι απώλειες τείνουν να είναι αντιστρόφως ανάλογες της κλίμακας. Ως εκ τούτου, για να κρατηθούν χαμηλές οι απώλειες, η κλίμακα πρέπει να είναι μεγάλη. Για την πραγματική βελτίωση των ιδιοτήτων του καυσίμου, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η διεργασία μετατροπής πρέπει να περιλαμβάνει το διαχωρισμό ενός ή περισσότερων συστατικών. Η αεριοποίηση ενός υγρού, στερεού και επιμολυσμένου υλικού που ακολουθείται από μια μεταγενέστερη καύση του αερίου δεν προκαλεί από μόνη της αύξηση της θερμοκρασίας καύσης ούτε μειώνει τα ποσοστά των εκπομπών. Μόνο αν το νερό αφαιρεθεί από το θερμό αέριο προκαλείται αύξηση της θερμοκρασίας καύσης για να γίνει αυτό όμως απαιτείται ένα στάδιο ψύξης πρέπει η ενέργεια λόγω θερμοκρασίας του αερίου και η θερμότητα συμπύκνωσης να ανακτώνται. Το ίδιο πράγμα ισχύει και για προσμίξεις καυσίμου: μόνο αν αφαιρεθούν οι προσμίξεις θα μειωθεί ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος αλλά και πάλι απαιτείται εξωτερική εισροή ενέργειας. Ως εκ τούτου, η αεριοποίηση δεν πρέπει να συγχέεται με την αναβάθμιση του καυσίμου: η αναβάθμιση μπορεί να περιλαμβάνεται ή να μην περιλαμβάνεται στη διαδικασία αεριοποίησης.

20 Κεφάλαιο σελ. 20 Βιομάζα Προεπεξεργασία Βιοκαύσιμο Τελική διεργασία/υπηρεσία Ποικίλες πρώτες ύλες, αρκούντως ξηρές για αυτοθερμική αεριοποίηση Αυτοθερμική αεριοποίηση Παραγόμενο αέριο Με χρήση αέρα: αέριο χαμηλής θερμογόνου ικανότητας Με χρήση οξυγόνου: αέριο μέσης θερμογόνου ικανότητας Με χρήση οξυγόνου + ατμού: αέριο σύνθεσης Αέριο χαμηλής θερμογόνου ικανότητας Άμεση καύση Αέριο μέσης θερμογόνου ικανότητας Άμεση καύση Αέριο σύνθεσης Χημική σύνθεση μεθανίου, διμεθυλεστέρα (DME), υδρογόνου Πίνακας : Διεργασίες για στερεή βιομάζα αέριο βιοκαύσιμο ενέργεια : Υγρή βιομάζα Αέριο βιοκαύσιμο Ενέργεια Το βασικό προϊόν της φωτοσύνθεσης είναι η στερεή βιομάζας. Ωστόσο, ορισμένα τμήματα φυτών, όπως οι σπόροι και οι ξηροί καρποί μπορεί να περιέχουν εξαιρετικά πλούσια σε ενέργεια οργανικά έλαια τα οποία μπορούν να εξαχθούν και να χρησιμοποιηθούν. Ορισμένα παραδείγματα είναι οι ηλιόσποροι, το λιναρόσπορο, οι ελιές και μια σειρά από άλλες καλλιέργειες. Τέτοια έλαια επίσης χρησιμοποιούνται εκτενώς για το μαγείρεμα και οι πηγές υγρής βιομάζας προέρχονται επομένως όχι μόνο από τις γεωργική μεταποιητική βιομηχανία, αλλά και από εστιατόρια και - σε κάποιο βαθμό από τα νοικοκυριά. Αν και τα έλαια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο, χωρίς καμία προετοιμασία, είναι εμφανώς ασταθή και περιέχουν ενώσεις εύκολα οξειδώσιμες ή διαβρωτικές. Για να είναι πρακτικά στην ενεργειακή χρήση τα προϊόντα αυτά πρέπει να σταθεροποιηθούν, ώστε να μπορούν να αποθηκευτούν για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να αλλάξουν σημαντικά τις ιδιότητές τους. Αυτό συνήθως πραγματοποιείται με χημικές αντιδράσεις μετασχηματισμού του μείγματος των λιπαρών οξέων στην πρώτη ύλη σε ένα μείγμα εστέρων. Η διαδικασία πρωτοαναφέρθηκε στην ενότητα Το καύσιμο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο, ανάλογα με την πρώτη ύλη, μπορεί να διατίθεται στην αγορά και να χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο του πετρελαίου ντίζελ στον τομέα των μεταφορών και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την υποκατάσταση του ελαφριού μαζούτ στις περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες. Η διεργασία περιλαμβάνει την προσθήκη αλκοόλης και επομένως περιορίζεται η συνολική ενεργειακή οικονομία της διεργασίας.