ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ. Ευάγγελος Τόπακας

Transcript

1 ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ Ευάγγελος Τόπακας

2 1. Εισαγωγή 2. Πλεονεκτηματα Παραγωγης Βιοκαυσιμων 2.1 Ελάττωση περιβαλλοντικής ρύπανσης Μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου που σχετίζονται με την ενέργεια που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του καυσίμου Περιστολή της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα με τη χρήση βιοκαυσίμων σαν καύσιμα μεταφοράς Μείωση τοξικών καυσαερίων εκπομπής οχημάτων μεταφοράς 2.2 Διεθνείς περιβαλλοντικές διασκέψεις 2.3 Μείωση της ενεργειακής εξάρτησης 2.4 Νομικό πλαίσιο Εναρμόνηση με κοινοτικές οδηγίες 2.5 Ανάπτυξη Ελληνικής γεωργίας 3. Φυτική Βιομάζα: Πρώτη υλη για την Παραγωγή Βιοκαυσίμων 3.1 Διαθεσιμότητα 3.2 Συμμετοχή βιομάζας στην παγκόσμια ενεργειακή κατανομή 3.3 Πηγές βιομάζας για την παραγωγή βιοαιθανόλης 3.4 Σακχαρούχα φυτά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αιθανόλης Σακχαροκάλαμο Σακχαρότευτλο Γλυκό σόργο 3.5 Αμυλούχα φυτά Αραβόσιτος Σίτος και κριθή Ανησυχίες από τη χρησιμοποίηση σακχαρούχων και αμυλούχων φυτών για παραγωγή αιθανόλης 3.6 Λιγνινοκυτταρινούχες πηγές βιομάζας Αγροτικά παραπροϊόντα Λιγνινοκυτταρινούχα ενεργειακά φυτά 3.7 Φύση και σύσταση λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας Βιβλιογραφία/Αναφορές 4. Κύρια Συστατικά της Φυτικής Βιομάζας 4.1 Κυτταρίνη 4.2 Ημικυτταρίνη Ξυλάνη Είδη ξυλανών 4.3 Λιγνίνη Βιβλιογραφία/Αναφορές

3 5. Προκατεργασία και υδρολυση Λιγνινοκυτταρινούχου Βιομάζας 5.1 Υδρόλυση της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας Όξινη υδρόλυση Προκατεργασία και ενζυμική υδρόλυση της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας 5.2 Προκατεργασία Λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας Θερμική προκατεργασία Προκατεργασία με αραιό οξύ σε ήπιες συνθήκες Αλκαλική προκατεργασία Οξειδωτική προκατεργασία Βιολογική προκατεργασία 5.3 Ενζυμική υδρόλυση Κυτταρινάσες Δράση και συνεργητισμός μεταξύ των κυτταρινασών Μοριακή δομή κυτταρινασών Ημικυτταρινάσες 5.4 Θερμοχημική μετατροπή Αεριοποίηση: Ζυμωτική παραγωγή αιθανόλης Αεριοποίηση: Καταλυτική παραγωγή αιθανόλης Βιβλιογραφία/Αναφορές 6. Διεργασίες Παραγωγής Αιθανόλης από Λιγνινοκυτταρινούχα Υλικά 6.1 Διακριτή υδρόλυση και ζύμωση (SHF) 6.2 Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF) 6.3 Ενοποιημένη βιοδιεργασία (CBP) 6.4 Ζύμωση των προϊόντων υδρόλυσης της λιγνινοκυτταρίνης Βιβλιογραφία/Αναφορές 7. Αιθανολοπαραγωγοί Μικροοργανισμοί 7.1 Μικροβιακά μεταβολικά μονοπάτια Γλυκόλυση Μονοπάτι φωσφορυλιωμένων πεντοζών Μονοπάτι Entner-Doudoroff 7.2 Οι κυριότεροι μικροοργανισμοί παραγωγής αιθανόλης Saccharomyces cerevisiae Zymomonas mobilis Escherichia coli Pichia stipitis

4 7.3 Επιθυμητά χαρακτηριστικά αιθανολοπαραγωγών μικροοργανισμών Ελαχιστοποίηση της παραγωγής παραπροϊόντων Αυξημένη αντοχή στην αιθανόλη Αυξημένη αντοχή σε ουσίες που δρουν ως παρεμποδιστές Ικανότητα ταυτόχρονης κατανάλωσης των σακχάρων Βιβλιογραφία/Αναφορές 8. Εφαρμοσμένες εμπορικές διεργασίες παραγωγής αιθανόλης από λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα 8.1 Παραδείγματα βιομηχανικής παραγωγής βιοαιθανόλης 2ης γενιάς 8.2 Συμπεράσματα-μελλοντικοί στόχοι 9. Παραγωγή βιοντήζελ 9.1 Τι είναι το βιοντήζελ Χαρακτηριστικά του βιοντήζελ Περιβαλλοντικά οφέλη χρήσης του βιοντήζελ Χρήση του βιοντήζελ στην Ελλάδα 9.2 Πρώτες ύλες για την παραγωγή βιοντήζελ Φυτικά έλαια Λίπη και έλαια από απόβλητα διεργασιών παρασκευής τροφίμων Έλαια προερχόμενα από μικροβιακή παραγωγή 9.3 Χημική και ενζυμική αλκοόλυση Χημική κατάλυση Ακυλο-δότες των αντιδράσεων μετεστεροποίησης Λιπάσες ως καταλύτες για την παραγωγή βιοντήζελ Βιβλιογραφία/Αναφορές 10. Βιοκαύσιμα τρίτης γενιάς 10.1 Δυναμικό χρήσης της βιομάζας των μικροφυκών 10.2 Παραγωγή φωτοσυνθετικού υδρογόνου από μικροφύκη 10.3 Ζύμωση της βιομάζας μικροφυκών για την παραγωγή αιθανόλης 10.4 Παραγωγή βιοαερίου από βιομάζα μικροφυκών 10.5 Παραγωγή βιοντήζελ από μικροφύκη Βιβλιογραφία/Αναφορές 11. Τεχνολογία διεργασίας παραγωγής βιοκαυσίμων από μικροφύκη 11.1 Αξιοποίηση της βιομάζας των μικροφυκών 11.2 Συστήματα παραγωγής βιομάζας μικροφυκών Ανοικτά συστήματα Επιμήκεις λεκάνες Κλειστά συστήματα Φωτοβιοαντιδραστήρες

5 Σύγκριση μεταξύ συστημάτων παραγωγής βιομάζας μικροφυκών Βιβλιογραφία/Αναφορές 12. Καλλιέργεια και συγκομιδή της βιομάζας μικροφυκών 12.1 Συνθήκες καλλιέργειας μικροφυκών Φωτοτροφική καλλιέργεια Ετερότροφη καλλιέργεια Μιξότροφη καλλιέργεια Φωτοετερότροφη καλλιέργεια Σύγκριση διαφορετικών συνθηκών καλλιέργειας 12.2 Επίδραση της πηγής φωτός στα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών Ανάπτυξη τεχνητών πηγών φωτός για τα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών Καινοτόμες τεχνητές πηγές φωτός Ηλιακό φως ως πηγή φωτός Σύγκριση μεταξύ διαφορετικών πηγών φωτός 12.3 Τεχνολογίες συγκομιδής μικροφυκών Φυγοκέντρηση Κροκίδωση Καθίζηση Διήθηση και κοσκίνισμα Επίπλευση Βιβλιογραφία/Αναφορές 13. βιωσιμοτητα της παραγωγης βιοντήζελ από μικροφύκη 13.1 Δυναμικότητα παραγωγής του βιοντήζελ από μικροφύκη 13.2 Οικονομικά στοιχεία παραγωγής βιοντήζελ από μικροφύκη 13.3 Προοπτικές παραγωγής και χρήσης του βιοντήζελ από μικροφύκη Τα βιοκαύσιμα τρίτης γενιάς είναι βιώσιμα Σύγκριση βιοντήζελ μικροφυκών με βιοαιθανόλη πρώτης γενιάς Προοπτικές του βιοντήζελ μικροφυκών 13.4 Συμπεράσματα Βιβλιογραφία/Αναφορές

6 Ηλεκτρονική μορφή συγγράμματος

7 Πρατήριο καυσίμων Στοκχόλμη, Σουηδία 23/05/2010

8 ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Κάθε καύσιμο που παράγεται από την βιομάζα ΒΙΟΜΑΖΑ Κάθε οργανική ύλη που παράγεται από τα φυτά

9 Πηγές Βιομάζας ασικά κατάλοιπα Αγροτικά κατάλοιπα Ενεργειακά φυτά ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Σακχαρούχα φυτά Σακχαρότευτλα Σακχαροκάλαμο Σόργο Λιγνοκυτταρινούχα Ευκάλυπτος Ψευδακακία Καλάμι Μίσχανθος Αγριαγκινάρα Switchgrass Κυτταρινούχο σόργο Αμυλούχα φυτά Σπόροι καλαμποκιού Σπόροι σίτου, κριθής

10 ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Τα βιοκαύσιμα παράγονται από ζωντανούς οργανισμούς ή από μεταβολικά προϊόντα (πχ. βιολογικά ή απόβλητα τροφίμων). Για να θεωρηθεί ένα καύσιμο ως βιοκαύσιμο πρέπει να περιέχει πάνω από 80% ανανεώσιμα υλικά. Επειδή τα βιοκαύσιμα προέρχονται μέσα από τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, μπορούν συνεπώς αναφερθούν ως μια ηλιακή πηγή ενέργειας!

11

12 ΛΟΓΟΙ ΠΟΥ ΕΠΙΒΑΛΛΟΥΝ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΜΕΙΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΕΞΑΡΤΙΣΗΣ ΒΙΟ- ΑΙΘΑΝΟ ΛΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ

13 1) ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Α) ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΑΕΡΙΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΛΟΥΝ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (Σχετίζονται με την ενέργεια που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του καυσίμου)

14 Κατανομή ηλιακής ακτινοβολίας στη γήινη ατμόσφαιρα

15 Συμμετοχή των ανθρωπογενών ρύπων στο φαινόμενο του θερμοκηπίου

16 Τα τελευταία χρόνια, καταγράφεται μία αύξηση στη συγκέντρωση αρκετών αερίων του θερμοκηπίου, ενώ ειδικότερα στην περίπτωση του διοξειδίου του άνθρακα, οι εκπομπές του οποίου αυξήθηκαν σε ποσοστό 80% το διάστημα Τα τρία τέταρτα της ανθρωπογενούς παραγωγής διοξειδίου του άνθρακα, οφείλεται σε χρήση ορυκτών καυσίμων, ενώ το υπόλοιπο μέρος προέρχεται από αλλαγές που συντελούνται στο έδαφος, κυρίως μέσω της αποψίλωσης των δασών.

17 Το ατμοσφαιρικό CO 2 αυξάνει επικίνδυνα N. Lewis, Caltech

18 Υπολογισμός αύξησης της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας λόγω της συσσώρευσης του CO 2 Οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της Γης αυξάνονται κατά μέσο όρο κατά 0,17 βαθμούς Κελσίου ανά δεκαετία

19 N. Lewis Caltech Η απελευθέρωση CO 2 αυξάνει με το κατά κεφαλήν ΑΕΠ

20 Αποτελέσματα στις βροχοπτώσεις

21 Τα αποτελέσματα διατηρούνται για χρόνια

22 ΗΠΑ 2014: ο ψυχρότερος χειμώνας 2 Ιανουαρίου 2014 Κόστος (ΗΠΑ) 5 δισ.$ Ανθρωπογενής κλιματική αλλαγή Η ταχεία τήξη των πολικών πάγων αντικαθιστά το λευκό αντανακλαστικό πάγο με νερό το οποίο απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία. Η περιοχή θερμαίνεται γρηγορότερα οδηγώντας στη μείωση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της Αρκτικής και νοτίων περιοχών που διατηρεί το jetstream. Μείωση της ταχύτητας των ανέμων μεταβάλουν την πορεία της πολικής δίνης, επιτρέποντας τον κρύο αέρα που συνήθως περιορίζεται στους πόλους να μετατοπίζεται στα μέσα γεωγραφικά πλάτη.

23

24 Επιπτώσεις της ανθρωπογενούς κλιματικής αλλαγής Στη διάρκεια των επόμενων είκοσι ετών, εκατοντάδες εκατομμύρια άνθρωποι δεν θα έχουν αρκετό νερό για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες τους. Μεταξύ αυτών θα είναι Αφρικανοί και Λατινοαμερικανοί. Από το 2050, περισσότεροι από ένα δισεκατομμύριο άνθρωποι θα αντιμετωπίσουν παρόμοιο πρόβλημα στην Ασία. Από το 2080, η έλλειψη νερού θα αναγκάσει σε μετανάστευση 1,1 έως 3,2 δισεκατομμύρια ανθρώπους. Οι θάνατοι στα φτωχά στρώματα του πληθυσμού από ασθένειες που θα σχετίζονται με την υπερθέρμανση του πλανήτη όπως διάρροια και υποσιτισμός, θα αυξηθούν από το 2030, ενώ η ελονοσία και ο δάγκειος πυρετός πιθανότατα να γνωρίσουν έξαρση. Οι μικροί παγετώνες της Ευρώπης θα εξαφανισθούν, ενώ πολλοί από τους μεγάλους θα συρρικνωθούν δραματικά, έως το Το 50% της χλωρίδας της Ευρώπης θα κινδυνεύσει με εξαφάνιση ή θα αφανισθεί ως το 2100.

25 Περίπου 100 εκατομμύρια άνθρωποι θα μένουν κάθε χρόνο άστεγοι λόγω των πλημμυρών από το 2080 και μετά. Περίπου 200 ως 600 εκατομμύρια άνθρωποι θα βρεθούν αντιμέτωποι με το φάσμα της πείνας ως τα τέλη του 21ου αιώνα. Το νέφος στις πόλεις θα διογκωθεί και οι θάνατοι που θα σχετίζονται με την τρύπα του όζοντος θα αυξηθούν κατά 4,5% στα μέσα της δεκαετίας του 2050 σε σχέση με τα επίπεδα της δεκαετίας του Η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της επιφάνειας του πλανήτη επηρεάζει σημαντικά το κλίμα. Προβλέπεται πως οι θερμές περίοδοι του έτους θα είναι ξηρότερες στις περισσότερες ηπειρωτικές περιοχές μέσου γεωγραφικού πλάτους, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η συχνότητα των φαινομένων ξηρασίας και της υποβάθμισης του εδάφους. Περισσότερα από 3 δισ. εκατ. εκτάρια εύφορων και γόνιμων εδαφών ανά τον κόσμο έχουν υποστεί καταστροφική υποβάθμιση. Οι χώρες που απειλούνται περισσότερο από την ερημoπoίnση βρίσκονται στην υποσαχάρια Αφρική, την Κεντρική Ασία και την Ευρώπη, μεταξύ αυτών και η Ελλάδα.

26 Πρωτόκολλο του Κιότο (1997) (Σε ισχύ από τις 16 Φεβρουαρίου 2005) Στόχος του ήταν να μειωθούν στα αναπτυγμένα κράτη οι εκπομπές των αερίων που προκαλούν τις κλιματικές αλλαγές κατά 5,2% μεταξύ (ως προς τα επίπεδα εκπομπών του 1990).

27 Συνδιάσκεψη στο Μπαλί (2007) Κατέληξε σε «Οδικό Χάρτη» που προβλέπει διαπραγματεύσεις δύο χρόνων, που θα ολοκληρωθούν στην Κοπεγχάγη το 2009 με τη συμφωνία που θα εφαρμοστεί από το 2013 για τη μείωση των παγκόσμιων εκπομπών.

28 Συνδιάσκεψη στο Μπαλί (2007) Απουσίαζε κάθε αναφορά σε συγκεκριμένες δεσμεύσεις ή στόχους για τη μείωση των εκπομπών κατά 25-40% το 2020, όπως επεδίωκε η ΕΕ, ή κατά 60-80% ως το 2050.

29 Συνδιάσκεψη στο Μπαλί (2007) Αναγνώρισε- τουλάχιστον στα λόγια- πως απαιτούνται σημαντικές μειώσεις στις εκπομπές και πως οι ανεπτυγμένες χώρες πρέπει να αναλάβουν κατάλληλες δεσμεύσεις και αντίστοιχες δράσεις οι αναπτυσσόμενες Συμφώνησε να υπάρξουν κίνητρα και πόροι για τη μείωση της καταστροφής των δασών Κάλεσε σε επείγουσα συνεργασία για την εφαρμογή μέτρων προστασίας στις φτωχότερες χώρες από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής Ανακοίνωσε ότι θα παράσχει κίνητρα για την μεταφορά καθαρής τεχνολογίας προς τις αναπτυσσόμενες χώρες Δεσμεύτηκε πως οι διαπραγματεύσεις θα έχουν ολοκληρωθεί στην συνάντηση κορυφής στην Κοπεγχάγη το 2009

30 Διάσκεψη του Παρισιού για την κλιματική αλλαγή, 30/11-12/12/2015 Τα κύρια στοιχεία της νέας συμφωνίας του Παρισιού: μακροπρόθεσμος στόχος: οι κυβερνήσεις συμφώνησαν να διατηρηθεί η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη αρκετά κάτω από 2 C σε σχέση με τα προβιομηχανικά επίπεδα και να συνεχιστούν οι προσπάθειες για περιορισμό της σε 1,5 C συνεισφορές: πριν και κατά τη διάσκεψη του Παρισιού οι χώρες υπέβαλαν ολοκληρωμένα εθνικά σχέδια δράσης για το κλίμα με στόχο τη μείωση των εκπομπών τους φιλοδοξία: οι κυβερνήσεις συμφώνησαν να κοινοποιούν κάθε 5 χρόνια τις συνεισφορές τους για τον καθορισμό πιο φιλόδοξων στόχων διαφάνεια: δέχθηκαν επίσης να αναφέρουν μεταξύ τους και στο κοινό τις επιδόσεις τους σχετικά με την υλοποίηση των στόχων τους για την εξασφάλιση διαφάνειας και εποπτείας αλληλεγγύη: η ΕΕ και οι άλλες ανεπτυγμένες χώρες θα εξακολουθήσουν να παρέχουν χρηματοδότηση για το κλίμα ώστε να βοηθήσουν τις αναπτυσσόμενες χώρες να μειώσουν τις εκπομπές και να θωρακιστούν έναντι των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής

31 Διάσκεψη του Παρισιού για την κλιματική αλλαγή, 30/11-12/12/2015 Τα κύρια στοιχεία της νέας συμφωνίας του Παρισιού: όλες οι μεγάλες οικονομικές δυνάμεις παρουσιάζονται φιλόδοξες: η Κίνα θεωρεί ότι θα φτάσει στο μέγιστο των εκπομπών της το 2030, οι ΗΠΑ εξαγγέλλουν ένα -26% το 2025 σε σχέση με το 2005, και η Ευρωπαϊκή Ένωση, που θεωρεί τον εαυτό της πρωτοπόρο στη αντιμετώπιση του προβλήματος, υπόσχεται μείωση των αερίων θερμοκηπίου κατά 40% το 2030 σε σχέση με το 1990 Η ΕΕ δεσμεύεται, επίσης, να συμβάλει στην επίτευξη του κοινού στόχου των ανεπτυγμένων χωρών για την κινητοποίηση 100 δις $ ετησίως μέχρι το 2020 για τη δράση για το κλίμα στις αναπτυσσόμενες χώρες

32 Οι μεγαλύτεροι ρυπαντές για το έτος 2011 Κίνα: αύξηση κατά 10% στους 10 δισ. τόνους ΗΠΑ: μείωση 2% στους 5,9 δισ. τόνους Ινδία: άνοδος 7% στους 2,5 δισ. τόνους Ρωσία: αύξηση 3% στους 1,8 δισ. τόνους Ιαπωνία: αύξηση 0,4% στους 1,3 δισ. τόνους Γερμανία: μείωση 4% στους 0,8 δισ. τόνους Ιράν: άνοδος 2% στους 0,7 δισ. τόνους Νότιος Κορέα: αύξηση 4% στους 0,6 δισ. τόνους Καναδάς: άνοδος 2% στους 0,6 δισ. τόνους Νότιος Αφρική: άνοδος 2% στους 0,6 δισ. τόνους.

33 Στόχοι Σταθεροποίηση των αερίων του θερμοκηπίου στο επίπεδο συγκέντρωσης ppm Πρέπει να μειωθούν οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου από 50% 80% από ότι προβλέπεται για τον επόμενο αιώνα...

34 Εικόνες της γης το 2100 σενάρια ανάπτυξης συγκέντρωση CO 2 στα 950 ppm και αύξηση συγκέντρωση CO 2 στα 650 ppm και αύξηση συγκέντρωση CO 2 στα 550 ppm σταθερή συγκέντρωση CO 2 στα 400 ppm και μείωση NewScientist 5 October 2013

35 Σενάριο 2: Μικρή καθυστέρηση... Πληθυσμός 8.5 δισεκατομμύρια Παγκόσμια χρήση ενέργειας 1x10 21 joules Έχουμε καθυστερήσει τόσο στη μετάβαση σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς και στην εφαρμογή της συμφωνίας για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής

36 Αποδοτικότερες κοινωνίες σε σχέση με το 2013, χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια και υλικά με παράλληλη αύξηση της παραγωγής Καλύτερη ανακύκλωση Μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας να παράγεται από ανανεώσιμες πηγές και πυρηνική ενέργεια Δραστική μείωση κατανάλωσης κρέατος για τη μείωση εκπομπών παραγώμενες από τη κτηνοτροφία Μείωση των βοσκοτόπων και αποδοτικότερη αγροτική παραγωγή Τα δάση μεγαλώνουν, καθηλώνοντας περισσότερο CO 2 ανά τον κόσμο Ζούμε σε συμπαγής πόλεις με άριστα ΜΜΜ

37 Προσέγγιση σταθεροποίησης Μείωση των αερίων του θερμοκηπίου μέσω διαφορετικών τεχνολογιών που θα είναι διαθέσιμες τις επόμενες δεκαετίες παρά Στηριζόμενοι σε τεράστιες αλλαγές μιας συγκεκριμένης τεχνολογίας Stephen Pacala and Robert Socolow at Princeton University

38 Πιθανοί τρόποι Βελτίωση στην ενεργειακή απόδοση και στην οικονομία καυσίμου στα οχήματα Αύξηση στην αιολική και ηλιακή ενέργεια Υδρογόνο από ανανεώσιμες πηγές Βιοκαύσιμα Φυσικό αέριο Πυρηνική ενέργεια

39 Πιθανοί τρόποι Δυναμικό δέσμευσης του CO 2 και αποθήκευσης του σε τοποθεσίες γεωλογικής αποθήκευσης Διεργασία με όνομα κατάσχεση άνθρακα

40 The Sleipner Experiment 1 million tons/y; capacity 600 B tons 7000 such sites needed 1000 M StatoilHydro s Sleipner field is the largest and longest running carbon dioxide capture and storage project in the world. Excess carbon dioxide from the natural gas taken from the field is extracted and pumped into a sandstone formation 1,000 metres below the sea floor.

41 Ουδέτερες επιλογές CO 2 Υπολογιζόμενη κατανάλωση ενέργειας 25 TW το 2050 Πυρηνική ενέργεια 1 νεο εργοστάσιο για κάθε 2 μέρες για τα επόμενα 35 χρόνια... Αιολική ενέργεια 12,5 εκατομμύρια ανεμογεννήτριες- τώρα Φωτοβολταϊκά..

42 Οι οδικές μεταφορές συνεισφέρουν το 30% των συνολικών εκπομπών του CO 2 στην ΕΕ και το 31% στις ΗΠΑ Ο τομέας των μεταφορών συνεισφέρει το 25% των συνολικών εκπομπών του CO 2 παγκοσμίως.

43 Χρήση ενέργειας μεταφοράς Αεροπορία Επιβατηγα οχήματα Μέσα και βαριά φορτηγά

44 Υδρογόνο Εναλλακτικά καύσιμα μεταφοράς ηλεκτρισμός μπαταρίες Βιοκαύσιμα (αιθανόλη, μεθανόλη, βιοντήζελ)

45 Αναγκαιότητα υγρών βιοκαυσίμων μεταφοράς Παγκοσμιώς, έχουμε επενδύσει τρισεκατομμύρια δολάρια/ευρώ σε υποδομές μεταφοράς όπως διυλιστήρια, αγωγούς και συστήματα διανομής, τα αυτοκίνητά μας επομένως χρειαζόμαστε λύσεις όπως τα βιοκαύσιμα τα οποία προσαρμόζονται πλήρως στις υπάρχουσες υποδομές

46 Περιστολή της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα με τη χρήση βιοκαυσίμων σαν καύσιμα μεταφοράς

47 Τα βιοκαύσιμα κατά την καύση τους απελευθερώνουν άνθρακα που έχει δεσμευτεί με τη διεργασία της φωτοσύνθεσης κατά την διάρκεια της ετήσιας ανάπτυξης της βιομάζας Τα ορυκτά καύσιμα απελευθερώνουν κατά την καύση τους άνθρακα που έχει δεσμευτεί εκατομμύρια χρόνια πρίν

48 ΕΚΠΟΜΠΕΣ CO 2 ΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

49 Συντελεστής ορυκτής ενέργειας (ΣΟΕ) ορίζεται ως ο λόγος της ενέργειας που περιέχεται στο παραγόμενο καύσιμο (εκροή) προς την ενέργεια που προέρχεται από ορυκτά καύσιμα και χρησιμοποιείται για την παραγωγή του καυσίμου (εισροή).

50 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΠΟΔΟΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ

51 Ο ΣΟΕ για την βενζίνη και το πετρέλαιο ντήζελ είναι 0.8, για την αιθανόλη από καλαμπόκι είναι 1.36, για την αιθανόλη από σιτάρι και σακχαρότευτλα είναι 2, για την αιθανόλη από γλυκύ σόργο είναι 2.2, για βιοντήζελ από ελαιοκράμβη είναι 2.5, για βιοντήζελ από σόγια είναι 3, για την αιθανόλη από σακχαροκάλαμο είναι 8, για βιοντήζελ από φοινικέλαιο είναι 9 και για αιθανόλη από λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα είναι από 2 έως 36 ανάλογα με την μέθοδο παραγωγής.

52 ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Β) ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

53 Το πετρελαϊκό ντήζελ και η βενζίνη αποτελούνται από εκατοντάδες διαφορετικούς υδρογονάνθρακες. Τοξικοί πτητικοί υδρογονάνθρακες που απελευθερώνονται κατά την διάρκεια της καύσης τους: βενζόλιο, τολουόλιο, ξυλένιο. Άλλες τοξικές ενώσεις που απελευθερώνονται: CO, N x O ψ, S x O Ψ και αιωρούμενα σωματίδια

54 2) ΜΕΙΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ

55 ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΤΙΜΗΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ

56 Στην Ελλάδα, με νόμο που ψηφίστηκε το Νοέμβριο του 2005 (ν. 3423/2005) εναρμονίζεται η Εθνική Νομοθεσία προς την Κοινοτική Οδηγία. Τα βασικότερα σημεία του νόμου είναι: Ο καθορισμός της συμμετοχής των βιοκαυσίμων και των άλλων ανανεώσιμων καυσίμων στην ελληνική αγορά σε ποσοστό 5,75% του συνόλου της βενζίνης και του πετρελαίου που καταναλώνονται στον τομέα μεταφορών έως την 31η Δεκεμβρίου του 2010.

57

58

59

60 Παγκόσμιο δυναμικό βιομάζας

61 ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΠΥΡΗΝΙΚΗ 6.9% ΥΔΡΟ 2.4% ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ 10.9% ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ 37.0% ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 20.7% ΑΝΘΡΑΚΑΣ 22.1%

62 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ Βιομάζα 49.1% Γεωθερμική 30.9% Ηλιακή 1.1% Αιολική 18.9%

63 Τρόποι που η βιομάζα χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας

64 Παραγωγή βιοαιθανόλης στην Ευρώπη το 2009

65 Παγκόσμια παραγωγή αιθανόλης

66 OΙ ΑΓΟΡΕΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΝΤΑΙ ΤΑΧΥΤΑΤΑ

67 ΑΡΙΘΜΟΣ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΤΙΣ ΗΠΑ Υπάρχοντα Επεκτάσεις Υπό κατασκευή Πηγή: Renewable Fuels Association

68 Πηγές Βιομάζας ασικά κατάλοιπα Αγροτικά κατάλοιπα Ενεργειακά φυτά ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Σακχαρούχα φυτά Σακχαρότευτλα Σακχαροκάλαμο Σόργο Λιγνοκυτταρινούχα Ευκάλυπτος Ψευδακακία Καλάμι Μίσχανθος Αγριαγκινάρα Switchgrass Κυτταρινούχο σόργο Αμυλούχα φυτά Σπόροι καλαμποκιού Σπόροι σίτου, κριθής

69 ιαφορά μεταξύ Κυτταρίνης και Αμύλου ΑΜΥΛΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ Κυτταρίνη: Αδιάλυτη στο νερό, δεν υδρολύεται στις τροφές > μη θρεπτικό συστατικό, εξαιρετικές ιδιότητες ως υλικό. Άμυλο: διαλυτό στο νερό, θρεπτικό αφού υδρολύεται από το πεπτικό μας σύστημα.

70

71 ΓΛΥΚΟΖΗ Ο κυριότερος μονοσακχαρίτης Η σπουδαιότερη πηγή άνθρακα του κυττάρου Σημαντική από βιολογική άποψη είναι η τοποθέτηση του ΟΗ στις α και β θέσεις του C-1 α-d-γλυκόζη

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86 ΕΙΝΑΙ ΟΛΙΓΟΜΕΡΗ ΜΟΝΟΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΤΟΣΑ ΜΟΝΟΜΕΡΗ ΟΣΑ ΗΛΩΝΕΙ Η ΟΝΟΜΑΣΙΑ ΤΟΥΣ ΤΟ ΟΗ ΤΗΣ C-1 ΘΕΣΗΣ ΑΝΤΙ ΡΑ ΜΕ ΤΟ ΟΗ ΤΗΣ C-4 ΘΕΣΗΣ ΜΕ ΑΠΟΣΠΑΣΗ ΕΝΟΣ ΜΟΡΙΟΥ H 2 O (π.χ. μαλτόζη, σακχαρόζη, λακτόζη)

87

88 ΕΙΝΑΙ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΜΟΝΟΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ ΧΩΡΙΖΟΝΤΑΙ ΣΕ ΟΜΟΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ ΚΑΙ ΕΤΕΡΟΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ ΤΑ ΜΟΝΟΜΕΡΗ ΕΝΩΝΟΝΤΑΙ ΜΕ ΙΑΦΟΡΟΥΣ ΓΛΥΚΟΖΙΤΙΚΟΥΣ ΕΣΜΟΥΣ ΣΠΟΥ ΑΙΟΤΕΡΟΙ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΕΞΗΣ: ΑΜΥΛΟ ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΧΙΤΙΝΗ

89 Αμυλόζη

90

91

92

93 Κυτταρίνη

94 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Δασικά κατάλοιπα Αγροτικά κατάλοιπα Ενεργειακά φυτά ΑΜΥΛΟΥΧΑ ΦΥΤΑ Σπόροι καλαμποκιού Σπόροι σίτου ΣΑΚΧΑΡΟΥΧΑ ΦΥΤΑ Σακχαρότευτλα Σακχαροκάλαμο Σόργο ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΖΥΜΩΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗ

95

96 ΑΠΟ ΟΣΗ 1,1 ΤΟΝΟ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ 400 λίτρα / στρέμμα ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΠΡΟΪΟΝΤΑ Ζωοτροφές ιοξείδιο άνθρακα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 1.3

97 ΑΠΟ ΟΣΗ 6,4 ΤΟΝΟΙ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ 500 λίτρα / στρέμμα ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΠΡΟΪΟΝΤΑ Ζωοτροφές ιοξείδιο άνθρακα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 1.76

98 Νωπά στελέχη ΑΠΟ ΟΣΗ 10 ΤΟΝΟΙ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ > 600 λίτρα / στρέμμα ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ιάφορα (βιοδιυλιστήριο) Ενέργεια (καύση) Μονωτικά Αιθανόλη (βαγασση) ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 2.23

99

100 Χρήσεις αραβόσιτου στις ΗΠΑ 2006/07 Εξαγωγές 17.2% Αιθανόλη 17.2% ΗFCS 4.1% Γλυκαντικά 1.9% Άμυλο 2.2% Αλκοόλη 1.1% Δημητριακά 1.5% Πλεόνασμα 7.9% Τροφή & Υπόλοιπα 46.8% Πηγή: USDA, ERS; Feed Outlook, June 13, 2007

101 Χημική δομή αμύλου ΑΜΥΛΟ 4.5 tons/acre

102 ημητριακά: 2,6-3Kg Νερό: 2,7 λίτρα Ηλεκτρική ενέργεια: 0.36 kw/h Ατμός: 3,5 Kg Νερό ψύξης: Ποικίλλει Ποτάσα: 0,012 Kg Θειικό οξύ: 0.01 Kg Χλωριούχο ασβέστιο: 0,001 Kg α-αμυλάση Αμυλογλυκοζιδάση

103 Indianapolis Grand Prix Από το 2007 χρησιμοποιείται 98% αιθανόλη (Lifeline Foods) και 2% βενζίνη ενώ το 2010 στο Grand Prix του Sao Paolo (Brasil) χρησιμοποιήθηκε 100% αιθανόλη

104 ΣΑΚΧΑΡΟΚΑΛΑΜΟ 1 στρέμμα σακχαροκάλαμου αποδίδει λίτρα αιθανόλη, υπερδιπλάσια απο αυτή που παίρνουμε απο το καλαμπόκι. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ 8 H παραγωγή και η καύση αιθανόλης από ζαχαροκάλαµο προκαλούν 55-90% λιγότερες εκποµπές CO 2 από ό,τι η βενζίνη.

105

106

107

108

109 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΛΙΓΝΙΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΑΤΩΝ

110 Kalundborg, Denmark Clariant pilot plant, Straubing, Germany Stolz, Abengoa Bioenergy, Rotterdam, The Netherlands British Sugar, UK

111 ΠΟΡΕΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗ ( ισεκατομμύρια gal/yr) Αναδυόμενε ς Τεχνολογίες Πλατφόρμα υδατανθράκων -Νεα ένζυμα -Προκατεργασία -Ζύμωση Κυτταρίνη Σπόροι Ετος Προηγμένες Τεχνολογίες Θεμελιώδη Επιτεύγματα στη διεργασία υδρόλυσης και ζύμωσης Modified from Richard Bain, NREL

112 >2% απόδοση βιομάζας είναι εφικτή Courtesy of Steve Long et al

113 Γιατί η φωτοσυνθετική αποδοτικότητα είναι τόσο χαμηλή; Ορατό φάσμα του φωτός Ενεργές περιοχές των φυτών Φωτοπαρεμπόδιση Μήκος κεραίας Απώλειες εξαιτίας της μεταφοράς e - Wes Hermann, Stanford

114

115 Τα φυτά αποτελούνται κυρίως από σάκχαρα 3 nm Πολυμερισμένη γλυκόζη

116 Φυτά: δύο είδη κυτταρικών τοιχωμάτων: Πρωτογενές κυτταρικό τοίχωμα που αποτελείται από κυτταρίνη και ημικυτταρίνη. Το δευτερογενές αποτελείται επιπλέον και από λιγνίνη. Το μεσοδιάστημα δύο γειτονικών κυττάρων περιέχει πηκτίνη.

117 ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΩΤΟΓΕΝΟΥΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΤΟΙΧΩΜΑΤΟΣ

118 ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΩΤΟΓΕΝΟΥΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΤΟΙΧΩΜΑΤΟΣ

119 Μοντέλο κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών

120 Ένα τμήμα του κριθαριού βάφεται με Calcofluor για να αναδείξει τα κυτταρικά τοιχώματα του ενδοσπερμίου (μπλε) και το περίβλημα του σπόρου (κόκκινο). Calcofluor δεσμεύει τους πολυσακχαρίτες του κυτταρικού τοιχώματος, οι οποίοι αποτελούν τα κύρια συστατικά της διαιτητικής ίνας.

121 Σύσταση βιομάζας H 3 CO HO O O OCH 3 H 3 CO O OH Λιγνίνη: 15-25% Ημικυτταρίνη: 23-32% Κυτταρίνη: 38-50% OCH 3 OCH 3 O O HO OCH OHO 3 OH OCH 3 O O HO HO O OH O OH O HO HO O OH OH OH OHO OH OH O OCH 3 H 3 CO HO OCH 3 O HO OH O HO OHO OHO OCH O OCH 3 3 OH O O HO OH OCH HO OH O 3 O OH O O O HO HO O O OH OHO O OH OH OH OHO OH HO OH OH O OH O OH HO HO O OH O H HO 3 CO HO OHO OH O HO OHO OCH O O 3 OH OH O HO OH O O OH HO OH O O HO O HO O O OH OH OHO OH OH OHO OH OH OH O OH O HO HO O HO OH O HO OHO OH O HO OHO O O OH O OH HO OH O O O HO OH O O HO O HO O OH O OH OHO OH OH OHO OH O OH O HO HO OH O HO OH O HO O OHO O OH OH OH O HO OH O O HO OH O OH OH OHO OH O HO OH O HO O OH OH O OH

122 Κυτταρίνη Δομές κυτταρινικών μικροϊνιδίων Διάμετρος 2-20 nm Μήκος nm ~36 αλυσίδες κυτταρίνης

123 Κυτταρίνη Άμορφη περιοχή Κρυσταλλική περιοχή Βαθμός πολυμερισμού: μονάδες D-γλυκόζης Βαθμός κρυσταλλικότητας: 70%

124 Κυτταρίνη

125 Σελίδα εκτύπωσης (SEM x1000)

126 Ημικυτταρίνη Ημικυτταρίνη λανθασμένος όρος Αποτελούν μίγμα συμπολυμερών ουσιών Χαρακτηριστικά: άμορφες, χαμηλός βαθμός πολυμερισμού ( ), υγροσκοπικές Δομικοί λίθοι: Πεντόζες: D-ξυλόζη, L-αραβινόζη, L-ραμνόζη, L-φουκόζη Εξόζες: D-μαννόζη, D-γλυκόζη, D-γαλακτόζη, D-γλυκουρονικό οξύ, D- γαλακτουρονικό οξύ Είδη ημικυτταρινών: Γλυκάνες Μαννάνες Αραβινάνες Γαλακτάνες Ξυλάνες Γλυκουρονοξυλάνη (ξυλόζη, ουρονικό οξύ), αραβινογλυκουρονοξυλάνη (αραβινοζη, ξυλόζη, ουρονικό οξυ), γλυκομαννάνη (ετεροπολυμερές γλυκόζη, μαννόζης), αραβινογαλακτάνη (ετεροπολυμερές αραβινόζης, γαλακτόζης), ξυλογλυκάνη (ετεροπολυμερές ξυλόζης, γλυκόζης), γαλακτογλυκομαννάνη (ετεροπολυμερές γαλακτόζης, γλυκόζης, μαννόζης)

127 Ξυλάνη Ξυλόζη Γλυκουρονικό οξύ Αραβινόζη Γαλακτόζη Φερουλικό οξύ Οξικό οξύ 2 ος πιο άφθονος πολυσακχαρίτης στη φύση

128 Λιγνίνη Είναι πολύπλοκο αρωματικό πολυμερές -τρισδιάστατο με βασική δομική μονάδα το φαινυλοπροπάνιο

129 Τα φαινυλοπροπάνια της λιγνίνης

130 Μοντέλο της λιγνίνης

131 Τροποποίηση της λιγνίνης Μείωση 36% της περιεκτικότητας σε λιγνίνη!!!

132 Σύσταση Κυτταρικού Τοιχώματος Rubin, E. Genomics of cellulosic biofuels. Nature 454, (2008) doi: /nature07190