ΘΕΜΑ : ΑΧΥΡΑ ΣΙΤΗΡΩΝ - ΒΙΟ ΙΥΛΙΣΗ - ΥΓΡΟ ΚΑΥΣΙΜΟ Μ.Ε.Κ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ιατµηµατικό Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Παραγωγή και ιαχείριση Ενέργειας» Ακαδηµαϊκό Έτος B.10 ΒΙΟΜΑΖΑ ιδάσκων: Εµµανουήλ Κούκιος ΘΕΜΑ : ΑΧΥΡΑ ΣΙΤΗΡΩΝ - ΒΙΟ ΙΥΛΙΣΗ - ΥΓΡΟ ΚΑΥΣΙΜΟ Μ.Ε.Κ Ονοµατεπώνυµο: Αθανάσιος Σταράµος A.M.: Ιούνιος 2009

2 Εισαγωγή Τα βιοκαύσιµα αποτελούν ένα σηµαντικό άξονα της ενεργειακής στρατηγικής της Ευρωπαϊκής κοινότητας, που στοχεύει ευρύτερα στην εξασφάλιση της διάθεσης ενέργειας συµβατής µε τις περιβαλλοντικές δεσµεύσεις. Η διάθεση των βιοκαυσίµων στην χώρα µας έχει θεσµοθετηθεί µε τον πρόσφατο νόµο 3423/2005 που προήλθε από την κοινοτική οδηγία 2003/30/ΕΚ, καθιστώντας επιτακτική την ανάπτυξη ανταγωνιστικών υποδοµών και τεχνολογίας για την παραγωγή τους. Πέρα του θεσµικού πλαισίου, η παραγωγή και χρήση των βιοκαυσίµων είναι επιτακτική τόσο γιατί ελαττώνεται η εξάρτηση από το πετρέλαιο και τις χώρες που το παράγουν, όσο και για την προστασία του περιβάλλοντος, αφού η χρήση βιοκαυσίµων έχει αποδειχθεί ότι µειώνει σηµαντικά τους ρύπους. Παράλληλα η χρήση των βιοκαυσίµων µπορεί να ενισχύσει σηµαντικά την εθνική οικονοµία. Συγκεκριµένα αναµένεται η ενίσχυση της αγροτικής οικονοµίας µε την προσθήκη «ενεργειακών καλλιεργειών» που θα αποτελέσουν την πρώτη ύλη (βιοµάζα) για παραγωγή βιοκαυσίµων, ανεβάζοντας την συνολική οικονοµία της χώρας µας που είναι µία κατ εξοχήν αγροτική χώρα. Θα αναπτυχθούν επίσης µονάδες παραγωγής βιοκαυσίµων (βιοντίζελ και βιοαιθανόλης) σε τοπικό επίπεδο, δηµιουργώντας νέες θέσεις εργασίας. Παράλληλα η παραγωγή βιοκαυσίµων θα ενισχύσει και ορισµένες υπάρχουσες βιοµηχανίες αν συµπεριληφθούν µονάδες παραγωγής βιοκαυσίµων στις διεργασίες τους όπως πετρελαϊκή βιοµηχανία, βιοµηχανία ζαχάρεως, χαρτοβιοµηχανία κτλ. Πρώτες ύλες για την παραγωγή Βιοκαυσίµων Η πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοκαυσίµων είναι γνωστή ως βιοµάζα. Βιοµάζα είναι το βιοαποικοδοµήσιµο µέρος των προϊόντων, αποβλήτων και υπολειµµάτων που προέρχονται από την γεωργία, τη δασοκοµία, τις βιοµηχανίες και τα αστικά απόβλητα. Οι «ενεργειακές καλλιέργειες» είναι ένας τύπος βιοµάζας που χρησιµοποιείται για την παραγωγή ενέργειας. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν το βαµβάκι, το καλαµπόκι, η ελαιοκράµβη, ο ηλιόσπορος, η άγρια αγκινάρα, η σόγια κτλ που χρησιµοποιούνται κυρίως για την παραγωγή βιοντίζελ. Οι πρώτες ύλες που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή της βιοαιθανόλης, περιλαµβάνουν ενεργειακές καλλιέργειες και λιγνοκυτταρινούχα υλικά και κατηγοριοποιούνται ανάλογα µε το είδος

3 των υδατανθράκων που περιέχουν (σάκχαρα, άµυλο ή κυτταρίνη). Πάνω από το 90% της παγκόσµιας παραγωγής βιοαιθανόλης προέρχεται από εφαρµογή συγκεκριµένων καλλιεργειών (60% από ζαχαροκάλαµο και ζαχαρότευτλο, ενώ το υπόλοιπο κυρίως από άµυλο αραβοσίτου). Με τον όρο λιγνοκυτταρινούχα υλικά αναφερόµαστε στις υπολειµµατικές µορφές της βιοµάζας όπως είναι τα υπολείµµατα γεωργικών καλλιεργειών (στελέχη, κλαδιά, φύλλα, άχυρο, κλπ), τα υπολείµµατα επεξεργασίας γεωργικών προιόντων (υπολείµµατα εκκοκισµού βαµβακιού, πυρηνόξυλο, πυρήνες φρούτων κλπ) και η βιοµάζα δασικής προέλευσης (υπολείµµατα επεξεργασίας ξύλου κλπ). Τα οφέλη που προκύπτουν από τη χρήση αυτού του είδους υλικών για την παραγωγή βιοαιθανόλης είναι προφανή. Αφενός είναι άµεση η µείωση του κόστους, αν αναλογιστούµε ότι η τιµή των πρώτων υλών συµβάλλει έως 40% στο συνολικό κόστος της διεργασίας και αφετέρου η ανακύκλωση αυτών των υλικών έχει σαν αποτέλεσµα τη µείωση της ρύπανσης που προέρχεται από διάφορες βιοµηχανίες. Επίσης η παραγωγή βιοαιθανόλης και γενικά βιοκαυσίµων δεν συντελεί στη µείωση των τροφίµων. Αντίθετα, εξασφαλίζεται επιπλέον εισόδηµα για τον αγρότη µέσω της αξιοποίησης πραγµάτων που τώρα παραµένουν αναξιοποίητα. Η σύσταση των λιγνοκυτταρινούχων υλικών διαφοροποιείται ανάλογα µε τη προέλευση τους. Σε γενικές γραµµές όµως, αποτελούνται κυρίως από κυτταρίνη (~45% του ξηρού βάρους), ηµικυτταρίνη (~30% ξηρού βάρους) και λιγνίνη (~25% ξηρού βάρους). Πίνακας 1. Σύσταση διαφόρων λιγνοκυτταρινούχων υλικών Λιγνοκυτταρινούχα υλικά Κυτταρίνη (%) Ηµικυτταρίνη (%) Λιγνίνη(%) Κοτσάνι σκληρού ξύλου Κοτσάνι µαλακού ξύλου Κέλυφος καρυδιού Σπάδικας αραβόσιτου Γρασίδι Χαρτί άχυρο σίτου Απορρίµµατα Ίνες βαµβακόσπορου

4 Άχυρο σιτηρών Ανάµεσα στα διάφορα υπολείµµατα των γεωργικών καλλιεργειών είναι και το άχυρο σιτηρών. Είναι ένα λιγνοκυτταρινούχο υλικό, πλούσιο σε κυτταρίνη και ηµικυτταρίνη, όπως φαίνεται και στον παραπάνω πίνακα. Η υδρόλυση του συνεπώς θα έχει σαν αποτέλεσµα την παραγωγή σακχάρων, που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν πηγή άνθρακα σε διάφορες εφαρµογές όπως είναι και η παραγωγή αιθανόλης. Η ετήσια παραγωγή της Ελλάδας σε σιτάρι, κριθάρι και άχυρο κατά την δεκαετία σύµφωνα µε τα στοιχεία του Υπ. Γεωργίας είχε ως κατωτέρω: Πίνακας 2. Ετήσια παραγωγή δηµητριακών και άχυρου σε χιλιάδες τόνους Έτος Σιτάρι Κριθάρι Άχυρο * * Υπολογίζεται στο 0.55 του βάρους του καρπού. ηλαδή η µέση ετήσια παραγωγή άχυρου από σίτο και κριθάρι που αποτελούν τα δύο σπουδαιότερα δηµητριακά στην Ελλάδα υπολογίζεται περίπου στους τόνους. Το µεγαλύτερο µέρος του άχυρου περίπου 40% παράγεται στην Μακεδονία και Θράκη ενώ το 23% παράγεται στη Θεσσαλία. Ένα µικρό µέρος από το παραγόµενο άχυρο, γύρω στους τόνους οδεύει για κτηνοτροφική χρήση ενώ µεγάλες ποσότητες καίγονται δηµιουργώντας ποικίλα προβλήµατα περιβαλλοντικής ρύπανσης. Επίσης το άχυρο θεωρείται πολύ καλό υλικό για την παραγωγή κοµπόστας σε ανάµιξη µε άλλα γεωργικά κυρίως

5 απόβλητα µε υψηλή συγκέντρωση σε άζωτο. Έτσι µεγάλες ποσότητες απορροφώνται από τις βιοµηχανίες παραγωγής µανιταριών καθώς και άλλες εταιρείες κοµποστοποίησης. Επίσης µε ηµιστερεά ζύµωση και µετά από προεπεξεργασία µε οξέα το άχυρο βελτιώνεται σαν ζωοτροφή µηρυκαστικών. Αν και η τιµή του είναι πολύ µικρή στον τόπο παραγωγής του, το µεγαλύτερο έξοδο που πρέπει να ληφθεί υπόψη για την εκτίµηση του κόστους του τελικού προϊόντος, είναι η δαπάνη συλλογής και µεταφοράς. Βιοδιυλιστήρια Τα βιοδιυλιστήρια είναι µονάδες που ενσωµατώνουν διεργασίες µετατροπής βιοµάζας σε καύσιµα, ενέργεια και χηµικά, και παρουσιάζουν κοινές βάσεις µε τα διυλιστήρια της πετρελαϊκής βιοµηχανίας. Επεξεργάζονται µεγάλες ποσότητες βιοµάζας που φθάνει και τους 240 τόνους ηµερησίως. Λόγω της φύσεως της πρώτης ύλης και των διεργασιών δεν παράγουν ανεξέλεγκτες ποσότητες ρύπων και παραπροϊόντων. Εικόνα 1

6 Η αρχή του σχεδιασµού τους βασίζεται στην εκµετάλλευση των διαφορετικών ιδιοτήτων των συστατικών της βιοµάζας και των ενδιάµεσων προϊόντων. Τα βιοδιυλιστήρια, πέρα των βιοκαυσίµων και των χηµικών, παράγουν επίσης ενέργεια, είτε για αυτονοµία της διεργασίας είτε προς εµπορική εκµετάλλευση. Τα τυπικά βιοδιυλιστήρια αποτελούνται από δύο παράλληλες διεργασίες µετατροπής βιοµάζας, µία θερµοχηµική και µία βιοχηµική. Κατά τη θερµοχηµική διεργασία η βιοµάζα εξαερώνεται και το παραγόµενο αέριο σύνθεσης µετατρέπεται σε καύσιµα και χηµικά, ενώ ένα µέρος του χρησιµοποιείται για την παραγωγή ενέργειας. Κατά τη βιοχηµική διεργασία τα συστατικά κυτταρίνης και ηµικυτταρίνης της βιοµάζας µετατρέπονται σε σάκχαρα µε κατάλληλα ένζυµα (ενζυµική υδρόλυση 170 ο C, 30 min) και στη συνέχεια µε ζύµωση λαµβάνεται βιοαιθανόλη που χρησιµοποιείται ως καύσιµο ή ως αλκοόλη. Το υπόλειµµα της βιοχηµικής διεργασίας καίγεται για την παραγωγή θερµότητας ή και ενέργειας. Παραγωγή υγρών καυσίµων µε θερµοχηµική µετατροπή βιοµάζας Τεχνολογία BtL : Biomass to Liquids Η θερµοχηµική µετατροπή της βιοµάζας οδηγεί είτε στην απ ευθείας παραγωγή ενέργειας (καύση), είτε στην παραγωγή καυσίµου, το οποίο στη συνέχεια µπορεί να χρησιµοποιηθεί αυτόνοµα. Η τεχνολογία της αστραπιαίας-ταχείας πυρόλυσης αποτελεί µία από τις πολλά υποσχόµενες λύσεις για την ενεργειακή αξιοποίηση της βιοµάζας. Κατ αυτήν, τα αγροτικά υπολείµµατα άχυρα σιτηρών εν προκειµένω, αφού ψιλοτεµαχισθούν, µετατρέπονται, µε τη βοήθεια ειδικού αντιδραστήρα, σε υγρό καύσιµο υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, το βιοέλαιο. Το βιοέλαιο µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως υποκατάστατο του πετρελαίου (έχει λίγο µικρότερη από τη µισή θερµογόνο δύναµη του πετρελαίου) σε εφαρµογές θέρµανσης (λέβητες, φούρνους κ.λ.π.) αλλά και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (µηχανές εσωτερικής καύσης κ.ά.).επίσης µπορεί να αποτελέσει την πρώτη ύλη για την παραγωγή χηµικών υψηλής προστιθέµενης αξίας. Η αστραπιαία πυρόλυση της βιοµάζας αποτελεί την οικονοµικότερη διεργασία ηλεκτροπαραγωγής, ιδίως στην περιοχή µικρής κλίµακας ισχύος (<5ΜWe). Επιπλέον µε την αεριοποίηση παράγεται αέριο καύσιµο σύνθεσης (CO2 + H2), το οποίο µπορεί να µετατραπεί σε βιοντίζελ και ελαφρύτερα προϊόντα ( βενζίνη, πρόσθετα βενζίνης ) µέσω της καταλυτικής σύνθεσης Fischer-Tropsch. Συγκεκριµένα η βιοµάζα έρχεται σε επαφή µε αέρα και πυρολύεται. Το παραγόµενο αέριο και κοκ

7 περνάει στη συνέχεια στον αεροποιητή και το παραγόµενο βιοαέριο σύνθεσης, αφού καθαριστεί και αποθειωθεί, διέρχεται µέσα από αντιδραστήρα Fischer-Tropsch. Εκεί το βιοαέριο σύνθεσης (CO+H2) αντιδρά καταλυτικά και συνθέτει ένα µίγµα αλιφατικών υδρογονανθράκων που αποτελείται από ελαφρούς υδρογονάνθρακες (C1 και C4), νάφθα (C5 και C11), ντίζελ (C12 και C20) και κηρό (>C20). Η απόδοση της αντίδρασης Fischer-Tropsch εξαρτάται από τον καταλύτη που χρησιµοποιείται και τις παραµέτρους λειτουργίας, ωστόσο η απόδοση σε υγρά προϊόντα (νάφθα, ντίζελ και FT-κηρό) ανέρχεται στο 95%. Η παραγόµενη νάφθα και ντίζελ αποτελούν βιοκαύσιµα που µπορούν να χρησιµοποιηθούν αναλόγως µε τα αντίστοιχα ορυκτά καύσιµα. Ο FT-κηρός ωστόσο πυρολύεται µε τη βοήθεια υδρογόνου και το παραγόµενο προϊόν δίνει ένα εύρος προϊόντων όπως νάφθα, ντίζελ κτλ. Οι σχετικές τεχνολογίες όµως βρίσκονται ακόµη σε ερευνητικό στάδιο και θα απαιτηθεί σηµαντική περαιτέρω προσπάθεια προκειµένου να µπορέσουν τα πιλοτικά προγράµµατα να φτάσουν σε σηµείο να είναι οικονοµικά συµφέρουσα η εφαρµογή τους σε ευρεία κλίµακα. Αναβάθµιση Καύσιµα & χηµικά Βιοµάζα Αεριοποίηση Πυρόλυση Βιοαέριο σύνθεσης Βιοέλαιο Σύνθεση καυσίµων Fischer-Tropsch Αναβάθµιση Παραγωγή ενέργειας & θερµότητας Εικόνα 2. ιεργασίες παραγωγής βιοκαυσίµων δεύτερης γενιάς, Fischer-Tropsch και πυρόλυση βιοµάζας Παραγωγή υγρών καυσίµων µε βιοχηµική µετατροπή βιοµάζας Η παραγωγή υγρών καυσίµων µε βιοχηµική διεργασία επικεντρώνεται, κυρίως, στην παραγωγή βιοαιθανόλης (οινοπνεύµατος) µε ζύµωση σακχάρων, αµύλου, κυτταρινών και ηµικυτταρινών που προέρχονται από διάφορα είδη βιοµάζας. Η διεργασία παραγωγής βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινούχα υλικά και ιδιαίτερα άχυρο σιτηρών ( πίνακας 1 ) περιλαµβάνει τέσσερα βασικά στάδια: 1. προεπεξεργασία του υλικού, έτσι ώστε να αποµακρυνθεί η λιγνίνη που έχει παρεµποδιστική τάση και να αποδεσµευτεί η κυτταρίνη και η ηµικυτταρίνη

8 2. υδρόλυση των παραπάνω πολυσακχαριτών σε απλά σάκχαρα 3. ζύµωση των σακχάρων (εξόζες και πεντόζες) από τον κατάλληλο µικροοργανισµό για την παραγωγή βιοαιθανόλης 4. ανάκτηση προιόντος, µε απόσταξη ή άλλες µεθόδους. Στο σχήµα που ακολουθεί, απεικονίζεται η µετατροπή λιγνοκυτταρινούχου υλικού σε βιοαιθανόλη. Λιγνοκυτταρινούχα υλικά Χηµική/ φυσική προκατεργασία πχ όξινη υδρόλυση Ενζυµική υδρόλυση λιγνίνη Γλυκόζη ξυλόζη Επεξεργασία λιγνίνης Ζύµωση Υγρά καύσιµα ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ Σχήµα 1 : µετατροπή λιγνοκυτταρίνης σε βιοαιθανόλη Προκατεργασία λιγνοκυτταρινούχων υλικών Η ιδιαίτερα περίπλοκη δοµή των λιγνοκυτταρινούχων υλικών καθιστά πολύ δύσκολη την αποικοδόµηση τους από τους µικροοργανισµούς, για αυτό το λόγο υπόκεινται σε κάποιες διεργασίες που έχουν σαν στόχο την αποµάκρυνση της

9 λιγνίνης και της ηµικυτταρίνης, τη µείωση της κρυσταλλικότητας της κυτταρίνης και την αύξηση του πορώδους του υλικού. Πίνακας 3: µέθοδοι προκατεργασίας λιγνοκυτταρινούχων υλικών Είδος µεθόδου Φυσικές Φυσικοχηµικές Χηµικές Βιολογικές Μέθοδοι Μηχανική κονιορτοποίηση, ακτινοβόληση, έκθεση σε υψηλή θερµοκρασία (πυρόληση, έκρηξη ατµού) έκρηξη ατµού µε προσθήκη οξέων, αµµωνίας, CO2 Οζονόλυση, όξινη υδρόλυση, αλκαλική υδρόλυση, οξειδωτικά, αναγωγικά, οργανικοί διαλύτες Μύκητες λευκής σήψης Στη παρούσα περίπτωση, µπορούµε να εφαρµόσουµε αρχικά µηχανική κονιορτοποίηση για να επιτύχουµε την αύξηση της ειδικής επιφάνειας και του µεγέθους των πόρων του υλικού, έπειτα να ακολουθήσει µια όξινη υδρόλυση µε αραιό οξύ όπως θειικό οξύ για την αποµάκρυνση της λιγνίνης. Υδρόλυση κυτταρίνης και ηµικυτταρίνης Μετά το στάδιο της προκατεργασίας, ακολουθεί το στάδιο της υδρόλυσης (σακχαροποίηση), στο οποίο διασπάται η κυτταρίνη και ηµικυτταρίνη προς απλούστερα σάκχαρα (εξόζες και πεντόζες αντίστοιχα). Τα σάκχαρα αυτά µπορούν στη συνέχεια να ζυµωθούν για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Οι πιο ευρέως χρησιµοποιούµενες µέθοδοι για την υδρόλυση των λιγνοκυτταρινούχων υλικών είναι η όξινη υδρόλυση, που πραγµατοποιείται χρησιµοποιώντας αραιό ή πυκνό οξύ, και η ενζυµική υδρόλυση, που λαµβάνει χώρα µε τη βοήθεια υδρολυτικών ενζύµων όπως η κυτταρινάση (cellulose GC220). Στην συγκεκριµένη διεργασία, θα προτιµήσουµε τη δεύτερη µέθοδο, διότι µε τη µέθοδο αυτή προκύπτει καθαρό διάλυµα σακχάρων, έτοιµο για ζύµωση, επιτυγχάνεται υψηλότερη απόδοση σε γλυκόζη και τέλος αποφεύγουµε τη διάσπαση της ηµικυτταρίνης σε «ενοχλητικά» για τη ζύµωση προϊόντα όπως οι φουρφουράλες.

10 Βιοµετατροπή Οι ζύµες, όπως η Saccharomyces cerevisiae είναι οι ασφαλέστεροι και οι πιο αποτελεσµατικοί µικροοργανισµοί για τη ζύµωση γλυκόζης, καθώς και άλλων εξοζών, και για αυτό το λόγο επιλέγονται για την βιοµηχανική παραγωγή αιθανόλης. Οι ζύµες µετατρέπουν τις εξόζες σε αιθανόλη και σε διοξείδιο του άνθρακα µέσα από το µονοπάτι της γλυκόλυσης, όπως παρουσιάζεται στην επόµενη αντίδραση : C 6 H 12 O 6 => 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Mε υπόστρωµα τη γλυκόζη, η θεωρητική απόδοση αιθανόλης είναι 0,51 g/g. Συνήθως κατά τη ζύµωση παράγονται και υποπροιόντα, όπως η γλυκερίνη, µε αποτέλεσµα η πραγµατική απόδοση να ανέρχεται στο 90-95% της θεωρητικής. Τεχνολογίες παραγωγής αιθανόλης Η διεργασία βιοµετατροπής της λιγνοκυτταρινούχου βιοµάζας σε βιοαιθανόλη περιλαµβάνει τέσσερα διαφορετικά στάδια: την παραγωγή σακχαρολυτικών ενζύµων, την υδρόλυση των υδρογονανθράκων που περιέχονται στη βιοµάζα σε απλούστερα σάκχαρα και τέλος τη ζύµωση των εξοζών και των πεντοζών. Ανάλογα µε το βαθµό που αυτά τα στάδια αλληλοσυνδέονται, διακρίνονται οι παρακάτω τεχνολογίες παραγωγής βιοαιθανόλης : Ξεχωριστή σακχαροποίηση και ζύµωση (Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF) Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύµωση (Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF) και Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και συµµεταβολισµός Ταυτόχρονη ζύµωση εξοζών και πεντοζών (Simultaneous Saccharification and Cofermentation, SSCF) Άµεση µικροβιακή µετατροπή Συγχωνευµένη βιοδιεργασία (Direct Microbial Conversion, DMC ή Consolidated Bioprocessing, CBP)

11 Ενδιάµεσο στάδιο ιεργασίες SHF SSF SSCF CBP Παραγωγή σακχαρολυτικών ενζύµων Υδρόλυση υδρογονανθράκων Ζύµωση εξοζών Ζύµωση πεντοζών Σχήµα 2: τεχνολογίες παραγωγής βιοαιθανόλης Η βασική διαφορά της άµεσης µικροβιακής µετατροπής από τις υπόλοιπες µεθόδους είναι η απουσία ξεχωριστού σταδίου για την παραγωγή σακχαρολυτικών ενζύµων, γεγονός που έχει σαν αποτέλεσµα την απαλοιφή του κόστους που σχετίζεται µε αυτό το στάδιο. Επιπλέον, είναι δυνατή η περαιτέρω µείωση του κόστους επένδυσης λόγω µείωσης του όγκου του αντιδραστήρα. Συνεπώς, θα προτιµήσουµε αυτή τη τεχνολογία. Η βιοαιθανόλη ως καύσιµο Η βιοαιθανόλη έχει καλή απόδοση ως καύσιµο στα αυτοκίνητα, είτε σε καθαρή µορφή είτε σε µείξη µε τη βενζίνη. Επιπλέον του µείγµατος βιοαιθανόλης/ βενζίνης, η βιοαιθανόλη έχει και άλλες εφαρµογές σαν καύσιµο µηχανών: (1) χρήση ως Ε85, 85% βιοαιθανόλη και 15% βενζίνη, (2) χρήση ως Ε100, 100% βιοαιθανόλη µε ή χωρίς πρόσθετο καυσίµου, και (3) χρήση ως οxy-diesel, ένα µείγµα από 80% ντίζελ, 10% βιοαιθανόλη και 10% πρόσθετα και παράγοντες µείξης. Στον πίνακα που ακολουθεί, παρουσιάζονται τα διαθέσιµα καύσιµα µηχανών

12 Πίνακας 4: καύσιµα µηχανών Τύπος καυσίµου Παραδοσιακά καύσιµα Οξυγονωµένα καύσιµα Εναλλακτικά καύσιµα ιαθέσιµα καύσιµα µηχανής Ντήζελ και βενζίνη Βιοαιθανόλη 10% (Ε10), µεθανόλη, µεθυλ τεταρτοταγής βουτυλ αιθέρας (ΕΤΒΕ), τεταρτοταγής βουτυλ αλκοόλη (ΤΒΑ), τεταρτοταγής αµυλ µέθυλ αιθέρας (ΤΑΜΕ) Αέρια υδρογονανθράκων σε πίεση (LPG), βιοαιθανόλη 85% (Ε85), βιοαιθανόλη 95% (Ε95), µεθανόλη 85% (Μ85), µεθανόλη καθαρή (Μ100), συµπιεσµένο φυσικό αέριο (CNG), ρευστοποιηµένο φυσικό αέριο (LNG), βιοντήζελ (BD), υδρογόνο και ηλεκτρισµός Η βιοαιθανόλη έχει εξαιρετικές ιδιότητες σαν καύσιµο για µηχανές εσωτερικής καύσης µε ανάφλεξη σπινθήρα. Περιέχει µεγαλύτερο αριθµό οκτανίων (ικανότητα αντίστασης στη συµπίεση) από τη βενζίνη, µε αποτέλεσµα οι µηχανές καύσης να λειτουργούν µε υψηλότερο λόγο συµπίεσης, δίνοντας καλύτερη καθαρή απόδοση. Ο µεγαλύτερος αριθµός οκτανίων καθώς και η υψηλότερη θερµοκρασία εξάτµισης, καθιστούν την αλκοόλη περισσότερο αποτελεσµατική σαν καθαρό καύσιµο από την βενζίνη. Ωστόσο, η καθαρή βιοαιθανόλη έχει 33% λιγότερη ενέργεια από την βενζίνη, λόγω του οξυγόνου που περιέχει (θερµογόνος δύναµη βιοαιθανόλης 21 MJ/litre). Όπως αναφέρθηκε και προηγουµένως, η βιοαιθανόλη µπορεί να χρησιµοποιηθεί και σε µείγµατα µε τη βενζίνη ή το ντίζελ. Τα αποτελέσµατα είναι η µείωση της κατανάλωσης της βενζίνης, η βελτίωση του αριθµού οκτανίων και η προώθηση πιο ολοκληρωµένης καύσης, που οδηγεί σε ελάττωση των εκποµπών µονοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, µη ιδανικές αλληλεπιδράσεις µε την βενζίνη προκαλούν µια µικρή αύξηση της τάσης ατµών για µείγµατα µε χαµηλή περιεκτικότητα σε βιοαιθανόλη (10%).Το φαινόµενο αυτό µπορεί να αντισταθµιστεί µειώνοντας την τάση ατµών της βενζίνης που πρόκειται να αναµιχθεί. Η προσθήκη βιοαιθανόλης σε καύσιµο ντίζελ έχει σαν αποτέλεσµα τη µείωση των εκποµπών αιωρούµενων σωµατιδίων, ένα πολύ σηµαντικό στοιχείο γαι τις µηχανές µε ανάφλεξη συµπίεσης. Η βιοαιθανόλη είναι λιγότερο πτητική και έχει χαµηλή φωτοχηµική αντιδραστικότητα µε την ατµόσφαιρα, και έτσι ο σχηµατισµός αιθαλοµίχλης µπορεί να είναι µικρότερος. Η βιοαιθανόλη έχει πολύ µικρή τοξικότητα, συγκριτικά µε άλλα

13 καύσιµα και είναι εύκολα βιοδιασπώµενη στο νερό και στο έδαφος, ελαττώνοντας τις καταστρεπτικές συνέπειες τυχόν διαρροών συγκριτικά µε τα ορυκτά καύσιµα. Με τη χρήση της βιοαιθανόλης επιτυγχάνεται µείωση των εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα κατά 60-90% σε σχέση µε τη βενζίνη. Επιπλέον, το CO 2 που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της ζύµωσης και της καύσης, ανακυκλώνεται από τα φυτά µέσω της φωτοσύνθεσης. Η µηδαµινή ύπαρξη του θείου στα βιοκαύσιµα συµβάλλει σηµαντικά στον περιορισµό των εκποµπών του διοξειδίου του θείου που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή. Τα µειονεκτήµατα της βιοαιθανόλης ως καύσιµο είναι: Το κόστος της είναι 2 φορές υψηλότερο από αυτό της βενζίνης (παρούσα κατάσταση). Έχει µικρή ενεργειακή απόδοση σε ογκοµετρικό επίπεδο, οπότε απαιτείται µεγαλύτερη ποσότητα καυσίµου για την ίδια ενεργειακή ανάγκη. Η ανταγωνιστικότητα της παραγωγής της σε σχέση µε το κόστος εξαρτάται από την τιµή των πρώτων υλών και την πορεία των τιµών των συµβατικών καυσίµων κίνησης, που αποτελούν δύο ιδιαίτερα ασταθείς παράγοντες, δύσκολους στην πρόβλεψη. όταν χρησιµοποιείται σε αυτούσια µορφή είναι αναγκαία η µετατροπή των κινητήρων. η αύξηση της εκποµπής αλδεϋδών, ιδιαίτερα της ακεταλδεύδης, που είναι 2-4 φορές χαµηλότερη στις εκποµπές της βενζίνης, καθώς και η αύξηση κατά 10% στην εκποµπή οξειδίων του αζώτου. Ωστόσο, η χρήση καταλύτη ή κάποια µικρή τροποποίηση µπορεί να περιορίσει αυτές τις εκποµπές. Πίνακας 5: εκποµπές αερίων κατά µέσο όρο από ένα συµβατικό αυτοκίνητο στα km Μίγµα Ε10 (10% Εκποµπές αερίων Βενζίνη βιοαιθανόλη- 90% (g /km) βενζίνη) CO CO 0,4688 0,2279 HCHO 0,0007 0,0006 Οργανικά αέρια χωρίς µεθάνιο 0,0273 0,0273 NOx 0,0621 0,0932 SOx 0,0488 0,0455

14 Παρά το γεγονός ότι, εκτός ελαχίστων περιπτώσεων (π.χ. αντικατάσταση αεροπορικής βενζίνης), το κόστος της βιοαιθανόλης είναι υψηλότερο εκείνου της βενζίνης, η χρήση της ως καύσιµο κίνησης αυξάνει συνεχώς ανά τον κόσµο, µε προεξάρχουσες τη Βραζιλία και τις ΗΠΑ. Αυτό συµβαίνει διότι αφ ενός η βιοαιθανόλη είναι καθαρότερο καύσιµο από περιβαλλοντικής πλευράς και αφ ετέρου δίνει διέξοδο στα γεωργικά προβλήµατα. Για τους λόγους αυτούς η παραγωγή και χρήση της βιοαιθανόλης παρουσιάζουν εξαιρετικά ευνοϊκές προοπτικές για το µέλλον. Επιλογή τόπου εγκατάστασης Το πρόβληµα της επιλογής του τόπου εγκατάστασης µιας βιοµηχανικής µονάδας είναι ιδιαίτερα σηµαντικό επειδή έχει καθοριστικές επιπτώσεις, όχι µόνο στην οικονοµική ευστάθεια του επενδυτικού σχεδίου, αλλά και στο φυσικό και το ανθρώπινο περιβάλλον. Ένα από τα σηµαντικότερα κριτήρια επιλογής του τόπου εγκατάστασης είναι η πρόσβαση σε πρώτες ύλες και εφόδια, η διαθεσιµότητα εργατικού προσωπικού και µεταφορικών µέσων καθώς και η πρόσβαση σε αγορές και κέντρα διανοµής. Από πρόσφατη απογραφή, έχει εκτιµηθεί ότι το σύνολο της άµεσα διαθέσιµης βιοµάζας στην Ελλάδα συνίσταται από περίπου τόνους υπολειµµάτων γεωργικών καλλιεργειών (σιτηρών, αραβόσιτου, βαµβακιού, καπνού, ηλίανθου, κλαδοδεµάτων, κληµατίδων, πυρηνόξυλου κ.ά.), καθώς και από τόνους δασικών υπολειµµάτων υλοτοµίας (κλάδοι, φλοιοί κ.ά.). Πέραν του ότι το µεγαλύτερο ποσοστό αυτής της βιοµάζας δυστυχώς παραµένει αναξιοποίητο, πολλές φορές αποτελεί αιτία πολλών δυσάρεστων καταστάσεων (πυρκαγιές, δυσκολία στην εκτέλεση εργασιών, διάδοση ασθενειών κ.ά.). Από τις παραπάνω ποσότητες βιοµάζας, το ποσοστό τους εκείνο που προκύπτει σε µορφή υπολειµµάτων κατά τη δευτερογενή παραγωγή προϊόντων (εκκοκκισµός βαµβακιού, µεταποίηση γεωργικών προϊόντων, επεξεργασία ξύλου κ.ά.) είναι άµεσα διαθέσιµο, δεν απαιτεί ιδιαίτερη φροντίδα συλλογής, δεν παρουσιάζει προβλήµατα µεταφοράς και µπορεί να τροφοδοτήσει απ ευθείας διάφορα συστήµατα παραγωγής ενέργειας. Μπορεί, δηλαδή, η εκµετάλλευσή του να καταστεί οικονοµικά συµφέρουσα. Στον χάρτη που ακολουθεί, απεικονίζονται περιοχές ηµοτικών ιαµερισµάτων, στα οποία η καλλιέργεια σιτηρών καλύπτει τα ακόλουθα ποσοστά γεωργικής γης:

15 Χάρτης κλιµάκωσης της καλλιέργειας σιτηρών Όπως προκύπτει και από τον παραπάνω χάρτη, αυξηµένη καλλιέργεια σιτηρών λαµβάνει χώρα στη βόρεια Ελλάδα και ιδίως στις Σέρρες, στην Καβάλα και στην Ξάνθη. Όµως, όπως προαναφέραµε, σηµαντικό ρόλο για την βιωσιµότητα της όλης εγκατάστασης έχει και η εγγύτητα σε αγορά, συνεπώς από τις παραπάνω τρεις περιοχές θα επιλέξουµε τις Σέρρες διότι είναι η πλησιέστερη περιοχή στη Θεσσαλονίκη, που αποτελεί µια πιθανή αγορά και διότι υπάρχει εργοστάσιο της ΕΒΖ Α.Ε. (Ελληνικής Βιοµηχανία Ζαχάρεως) το οποίο µε τις αναγκαίες µετατροπές δύναται να παράγει βιοκαύσιµα. Σύµφωνα µε στοιχεία του Υπ. Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίµων το 2006 καλλιεργήθηκαν στρέµµατα σιτηρών (εκτός αραβόσιτου) µε παραγωγή τόνους καρπού και τόνους άχυρου σε Εθνικό επίπεδο. Με δεδοµένο ότι το µεγαλύτερο µέρος του άχυρου περίπου 40% παράγεται στην Μακεδονία και Θράκη, η ποσότητα αυτή ανέρχεται σε τόνους περίπου. (Το 2007 καλλιεργήθηκαν περισσότερες εκτάσεις σιτηρών εξαιτίας κυρίως της σηµαντικής ανόδου των τιµών, χωρίς να είναι γνωστά όµως τα ακριβή στοιχεία). Ένα βιοδιυλιστήριο µέσης δυναµικότητας επεξεργάζεται ποσότητα άχυρου που κυµαίνετε από τόνους ηµερησίως, οπότε οι τόνοι άχυρου είναι

16 υπεραρκετοί, δικαιολογώντας έτσι και τη δηµιουργία επιπλέον µονάδων βιοδιύλισης. Η µεταφορά της βιοαιθανόλης προς τα πρατήρια διάθεσης της θα γίνεται µε ειδικά βυτιοφόρα οχήµατα ( το καθαρό κόστος µεταφοράς της βιοαιθανόλης από τη µονάδα µετατροπής της στο πρατήριο υγρών καυσίµων σύµφωνα µε παρούσες τεχνολογίες είναι περίπου ίσο µε 15 /GJ), καθώς και µε ειδικά δεξαµενόπλοια, αν πρόκειται για θαλάσσιες µεταφορές. Για επιχειρήσεις αυτού του είδους το κυριότερο κριτήριο είναι η οικονοµική απόδοση της επένδυσης αλλά και η κρατική πολιτική βούληση σε θέµατα νοµοθετικής προστασίας του περιβάλλοντος, θέσπισης κινήτρων περιφερειακής ανάπτυξης και δηµιουργίας βιοµηχανικής υποδοµής που επηρεάζουν σηµαντικά τις αποφάσεις των. Στην Ελλάδα η απουσία κρατικής πολιτικής κινήτρων και η µη αποδοχή από την τοπική κοινωνία έχει προκαλέσει σηµαντικές καθυστερήσεις στη δηµιουργία τέτοιων επενδύσεων σε σχέση µε άλλα Ευρωπαϊκά κράτη. Παρ όλα αυτά, οι προοπτικές αξιοποίησης της βιοµάζας στη χώρα µας είναι εξαιρετικά ευοίωνες, καθώς υπάρχει σηµαντικό δυναµικό, µεγάλο µέρος του οποίου είναι άµεσα διαθέσιµο ενώ και η ενέργεια που µπορεί να παραχθεί είναι, σε πολλές περιπτώσεις, οικονοµικά ανταγωνιστική αυτής που παράγεται από τις συµβατικές πηγές ενέργειας.

17 Βιβλιογραφία Boerrigter, H., Galis, H.P., Slort, D.J., and Bodenstaff, H., Gas Cleaning for Integrated Biomass Gasification (BG) and Fischer-Tropsch (FT) Systems; Experimental Demonstration of Two BG-FT Systems, Presented at the 2 nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Rome, Italy, May Demirbas A.(2005). Bioethanol from cellulosic materials :a renewable motor fuel from biomass. Energy Sources 27: Kim S., Dale B.E. (2005). Life cycle assessment of various cropping systems utilized for producing biofuels: bioethanol and biodiesel. Biomass and Bioenergy 29: Lang, X., MacDonald, D.G., and Hill, G.A., Recycle Bioreactor for Bioethanol Production from Wheat Starch II. Fermentation and Economics, Energy Sources, 23, p , Lee J. (1997). Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. Journal of Biotechnoogy 56:1-24. Lynd L.R., van Zyl W.H., McBride J.E., Laser M., (2005). Consolidated bioprocessing of cellulosic biomass: an update. Current opinion in biotechnology 16: Roeher M. (2001). The biotechnology of ethanol: classical and future applications. Wiley-V.C.H. Sun Y., Cheng J. (2002). Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource technology 83:1-11. Zaldivar J., Nielsen J., Olsson L. (2001). Fuel ethanol production from lignocellulose :a challenge for metabolic engineering and process integration. Appl Microbiol Biotechnol 56: ΕΜΠ, Σχολή Χηµικών Μηχανικών. Αξιοποίηση βιοµάζας Βιοαιθανόλη. Κούκιος Ε. (ΕΜΠ). Τεχνολογική πλατφόρµα Βιοκαυσίµων Θεσσαλίας, Παρουσίαση του σχεδίου αναφοράς της καθοδηγητικής επιτροπής WG2, «Αξιολόγηση Αειφορίας». Κυρίτσης Σπύρος. Οι νέες τάσεις για τα βιοκαύσιµα στην Ευρωπαική Επιτροπή και τα Ευρωπαικά κράτη Τα οικονοµικά δεδοµένα παραγωγής βιοκαυσίµων στην Ελλάδα.

18 Λάππας Άγγελος (ΕΚΕΤΑ). Τεχνολογική πλατφόρµα Βιοκαυσίµων Θεσσαλίας, Παρουσίαση του σχεδίου αναφοράς της καθοδηγητικής επιτροπής WG2, «Τεχνολογίες Μετατροπής». Λιποβατζ-Κρεµεζή.(2003). Στοιχεία Οικονοµικής ανάλυσης βιοµηχανικών επενδυτικών σχεδίων. ΑΘΗΝΑ Λόης Ευριπίδης (ΕΜΠ, Σχολή Χηµικών Μηχανικών). Εναλλακτικά Καύσιµα Βιοαιθανόλη. Τριανταφυλλίδης Κώστας (Απρίλιος 2007). Σύγχρονες εξελίξεις στον ενεργειακό τοµέα και επιπτώσεις στο περιβάλλον Έρευνα για τα βιοκαύσιµα 2 ης γενιάς. Υπουργείο Αγροτικής ανάπτυξης και τροφίµων, ιεύθυνση αγροτικής πολιτικής και τεκµηρίωσης.