ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας» ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΒΙΟΜΑΖΑ Άχυρα Σιτηρών, θερμοχημική μετατροπή, μέγιστο οικονομικό όφελος Του Μεταπτυχιακού Φοιτητή Ξυνός Ανάργυρος Αρχιτέκτων Μηχανικός Επιβλέπων Ε. Κούκιος. Καθηγητής. Σχολή Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π Αθήνα, Ιούνιος 2009

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ σελ 1. Γενικά Σκοπός της εργασίας Η Βιομάζα γενικά 2 2. Άχυρα σιτηρών Άχυρα σιτηρών Συνηθέστερα σιτηρά Καλλιέργεια-Παραγωγή Καλλιέργεια - παραγωγή σιτηρών σε Ευρωπαϊκό επίπεδο Καλλιέργεια - παραγωγή σιτηρών, άχυρων στην Ελλάδα Άχυρα σιτηρών και παραγόμενα προϊόντα εφαρμογών βιομάζας 9 3. Θερμοχημική μετατροπή Η διαδικασία της Θερμοχημικής μετατροπής Μέγιστο οικονομικό όφελος Γενικά Αξιοποίηση στην Ελλάδα-Μέγιστο οικονομικό όφελος Γενικά συμπεράσματα Σχόλια Βιβλιογραφία 20 2

3 1. Γενικά Η παρούσα εργασία με τίτλο Άχυρα Σιτηρών, θερμοχημική μετατροπή, μέγιστο οικονομικό όφελος πραγματοποιήθηκε το ακαδημαϊκό έτος στα πλαίσια του μαθήματος Βιομάζα από τον Ξυνό Ανάργυρο, Αρχιτέκτων Μηχανικό φοιτητή του Διατμηματικού Μεταπτυχιακού Προγράμματος Ειδίκευσης Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας το οποίο συντονίζεται από την σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και καθηγητής του μαθήματος είναι ο Ε. Κούκιος. 1.1 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η διερεύνηση των δυνατοτήτων των άχυρων σιτηρών ως πρώτη ύλη Βιομάζας, η αναζήτηση των τεχνολογικών απαιτήσεων μίας τέτοιας χρήσης και η βέλτιστη οικονομική εξέλιξη της στον ελληνικό χώρο. 1.2 Η Βιομάζα γενικά Βιομάζα είναι η μάζα βιολογικών υλικών που προέρχεται από ζωντανούς οργανισμούς και από βιολογικούς μετασχηματισμούς της ύλης. Ετυμολογικά η βιομάζα προέρχεται από τη λέξη βίος (ζωή) και τη λέξη μάζα.γενικότερα μπορεί να οριστεί ως η ύλη στην οποία εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό το οποίο προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Η βιομάζα είναι ανανεώσιμη με την έννοια ότι μετασχηματίζεται, καταστρέφεται και αναπαράγεται Ειδικά για τους ενεργειακούς σκοπούς περιλαμβάνει οτιδήποτε από οργανική ύλη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων. Τη βιομάζα μπορούμε να τη κατατάξουμε σε διάφορες κατηγορίες όπως : 1. Δασικές φυτείες (ξυλώδης βιομάζα) 2. Αγροτο-βιομηχανικές φυτείες (ξυλώδης βιομάζα) 3. Δένδρα εκτός των δασών (ξυλώδης βιομάζα) 4. Αγροτικές φυτείες (Μη ξυλώδης βιομάζα) 5. Υπολείμματα αγροτικών φυτειών όπως άχυρα, στελέχη αραβόσιτου, στελέχη βαμβακιάς (Μη ξυλώδης βιομάζα) 6. Υπολείμματα βιομηχανικής επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων όπως ελαιοπυρηνόξυλα, υπολείμματα εκκοκκισμού βαμβακιού, το πριονίδι (Μη ξυλώδης βιομάζα) καθώς και 7. Απόβλητα ζώων και ανθρώπων 3

4 Δηλαδή άλλοτε προέρχεται από υπολειμματικές μορφές και άλλοτε από ενεργειακές καλλιέργειες που γίνονται γι αυτόν ακριβώς τον σκοπό. Οι κυριότερες πηγές βιοενέργειας είναι βιοαιθανόλη, βιοντίζελ, βιοαέριο, άμεση καύση βιομάζας ενώ οι κυριότερες ενεργειακές καλλιέργειες (σπόροι ελαιοκράμβης, σόγιας, ηλιοτροπίου, ζαχαρότευτλα, αραβόσιτο, κριθή, βρώμη, γεώμηλα, σιτάρι, ιτιά,μίσχανθο, χλόη), καθώς και τα γεωργικά υπολείμματα. Οι τομείς χρήσης βιοενέργειας: εν γένει η ηλεκτρική ενέργεια, μεταφορές και θέρμανση. Η βιομάζα ειδικότερα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ενεργειακούς σκοπούς όπως για Θέρμανση θερμοκηπίων. Θέρμανση κτηνοτροφικών μονάδων. Ξήρανση γεωργικών προϊόντων. Κάλυψη αναγκών θερμότητας, ψύξεως και ηλεκτρισμού σε γεωργικές ή άλλες βιομηχανίες, που βρίσκονται κοντά σε πηγές παραγωγής βιομάζας. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στους τόπους παραγωγής της βιομάζας για κάλυψη τοπικών αναγκών ή για τροφοδοσία του εθνικού ηλεκτρικού δικτύου Κάλυψη αναγκών τηλεθέρμανσης και τηλεψύξης χωριών και πόλεων που βρίσκονται κοντά σε τόπους παραγωγής βιομάζας. Τα κύρια πλεονεκτήματα της βιομάζας (περιβαλλοντικά και κοινωνικο-οικονομικά όφελη) σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα που χρησιμοποιούνται είναι τα εξής: Ανανεώσιμη και ανακυκλώσιμη πηγή ενέργειας ( αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια )- αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών Μειωμένη εξάρτηση από εισαγόμενες πηγές ενέργειας Εκτεταμένη διαθεσιμότητα στην Ευρώπη και στο εξωτερικό Μείωση του όγκου των αποβλήτων που οδηγούνται σε χώρους υγειονομικής ταφής Χαμηλού κόστους καύσιμο συγκρινόμενο με τα ορυκτά καύσιμα Μειωμένες εκπομπές CO 2 και άλλων ρύπων Δυνατότητα αποθήκευσης και χρήσης ανάλογα με τη ζήτηση Σταθερές εργασιακές ευκαιρίες, κυρίως στις αγροτικές περιοχές και πηγή πολλών επαγγελματικών ευκαιριών Καλές προοπτικές για εξαγωγή τεχνολογίας Συνεισφορά σε μία ισορροπημένη ανάπτυξη της γεωργίας 4

5 Όπως φαίνεται και από τα παραπάνω είναι σημαντικό η αξιοποίηση και χρήση της βιομάζας για να έχει αξιόλογη απόδοση και να είναι συμφέρουσα οικονομικώς να γίνεται κοντά στον τόπο παραγωγής ώστε να αντιμετωπίζονται τα μειονεκτήματα της μεγάλης διασποράς, του μεγάλου όγκου και των δυσχερειών συλλογής μεταποίησης, μεταφοράς και αποθήκευσης των υλικών. Υπάρχουν τρεις γενικές κατηγορίες διεργασιών επεξεργασίας της βιομάζας: η Θερμοχημική διαδικασία(καύση, πυρόλυση, αεριοποίηση και υδρογονοδιάσπαση), η Βιολογική διαδικασία(αναερόβια ζύμωση, υδρόλυση) και η Χημική επεξεργασία(εκχύλισηεστεροποίηση).σχηματικά μπορούμε να πούμε: ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ηλιακή ενέργεια CO2 Φωτοσύνθεση Ο2 ΚΑΥΣΗ αέρια ΒΙΟΜΑΖΑ ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΥΡΟΛΥΣΗ υγρά καύσιμα ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ στερεά ΑΝΘΡΑΚΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ Βιοαέριο ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΧΩΝΕΥΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ Αιθανόλη ΖΥΜΩΣΗ ΧΗΜΙΚΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ βιοέλαια και ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΕΣΤΕΡΟΠΟΙΗΣΗ εστέρες τους ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Ενδεικτικός πίνακας της τάξης μεγέθους διαφόρων εφαρμογών βιομάζας Δυναμικότητα Εφαρμογή Ετήσια Τάξη εγκατάστασης κατανάλωση μεγέθους βιομάζας (odt επένδυσης (10 6 $) Εργοστάσιο ηλεκτρο παραγωγής μεσαίου κατοικίες μεγέθους (5 ΜWel) Εργοστάσιο ηλεκτρο παραγωγής μεγάλου κατοικίες μεγέθους (30 MW MWel) Εργοστάσιο ηλεκτρο- > Μm3 NG ή 100 παραγωγής συνδυασμένου κατοικίες 1 Μtn άνθρακα κύκλου (500 MWel) (NTUA-Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών) 5

6 2. Άχυρα σιτηρών 2.1 Άχυρα σιτηρών Τα άχυρα σιτηρών χρησιμοποιούνται εκτενώς στην βιομάζα. Είναι το κατάλοιπο από το στέλεχος και τα φύλλα σιτηρών μετά το αλώνισμα και τον αποχωρισμό του καρπού. Ανήκουν στην κατηγορία των υπολειμμάτων των αγροτικών φυτειών. Αποτελεί λιγνινοκυτταρινικό υλικό(όπως και τα ξυλώδη στελέχη βαμβακιού, καπνού, ηλίανθου και αραβόσιτου, κλαδιά οπωροφόρων δένδρων) με σύνθεση 16-21% Λιγνίνη,38-46 % κυτταρίνη Α, 5-9 % Ανόργανα συστατικά και 3-7 % Πυρίτιο. Η χρήση τους ως βιομάζα γίνεται σε μέσω ιδιαίτερων και εξειδικευμένων τεχνικών εγκαταστάσεων. Οι ποσότητες που διατίθενται είναι άμεσα συνδεδεμένες με την παραγωγή των σιτηρών. 2.2 Συνηθέστερα σιτηρά Στην κατηγορία αυτή των φυτών μεγάλης και ετήσιας καλλιέργειας ανήκουν τα χειμερινά ή ανοιξιάτικα σιτηρά. Περιλαμβάνουν κυρίως το σιτάρι, τη βρίζα, το κριθάρι, τη βρώμη, τον αραβόσιτο και το κεχρί, τα σπέρµατα των οποίων όταν αλεστούν δίνουν αλεύρι. Τα σιτηρά αλλιώς λέγονται δημητριακά και είναι ίσως η πιο σημαντική καθημερινή διατροφή ανθρώπων και ζώων σε όλο τον πλανήτη. Επιπρόσθετα χρησιμοποιούνται και σαν πρώτη ύλη στην ένδυση. Η χρηστικότητα των προϊόντων των σιτηρών ποικίλει, αφού αποτελεί βασικό είδος συντήρησης του ανθρώπου παρέχοντάς του το 45% της απαραίτητης γι αυτόν ενέργεια. Το σκληρό σιτάρι χρησιμοποιείται στην παρασκευή ζυμαρικών και πολύ λιγότερο στην κτηνοτροφία. Το αλεύρι από τα σπέρματα του μαλακού σιταριού χρησιμοποιείται στην αρτοποιία και δευτερευόντως στην κτηνοτροφία. Ο καρπός του κριθαριού χρησιμοποιείται, είτε µόνος του για την διατροφή των ανθρώπων ή των ζώων είτε αναμειγμένος µε σιτάρι, για την διατροφή των ανθρώπων, αποτελεί δε την κυριότερη πρώτη ύλη για την κατασκευή της µπύρας(ζυθοποιία). Η σίκαλη, στη χώρα µας, καλλιεργείται κυρίως για το καλάμι της το οποίο χρησιμοποιείται για την κατασκευή δεμάτων κατά το θερισμό των άλλων σιτηρών, για συσκευασία γυάλινων ειδών, κατασκευή ψαθών, καλαθιών, καπέλων, κοινού χαρτιού καθώς επίσης και για την παρασκευή ψωμιού, οινοπνευματωδών ποτών και ζωοτροφών. Ο καρπός της βρώμης είναι εξαιρετική τροφή για τα ζώα, θρεπτική, θερμαντική, ενώ ο χόνδρος (πλιγούρι) της είναι θρεπτικότατος και τονωτικός για τον άνθρωπο και συνιστάται για τα παιδιά και τους αρρώστους. 6

7 Ο αραβόσιτος χρησιμοποιείται σαν τροφή του ανθρώπου και των ζώων. Ειδικότερα το χλωρό χόρτο βοηθά στη γαλακτοπαραγωγή των αγελάδων και οι ξηρές κορυφές χρησιμεύουν για τροφή των ζώων. Το ρύζι χρησιμοποιείται αποκλειστικά και µόνο για ανθρώπινη κατανάλωση. ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Ενδεικτικός πίνακας της τάξης μεγέθους διαφόρων εφαρμογών άχυρου και ξύλου Δυναμικότητα Εφαρμογή Ετήσια Τάξη εγκατάστασης κατανάλωση μεγέθους βιομάζας (odt επένδυσης (10 3 $) Οικιακή θέρμανση - κατοικία 3-5 καυσόξυλα kwth θέρμανση -350 kwth σχολείο ή βιοτεχνία (ξύλο- άχυρο) 10 Εγκατάσταση συμπαρα- 200 ή 300 κατοικίες (ξύλο- άχυρο) 100 γωγής μικρής κλίμακας ή μικρή βιοτεχνία 250 kwel odt: oven dry tone-ξηρός τόνος (ΝTUA- Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών) 2.3 Καλλιέργεια-Παραγωγή Καλλιέργεια - παραγωγή σιτηρών σε Ευρωπαϊκό επίπεδο Η παγκόσμια παραγωγή σιτηρών για την χρονική περίοδο εκτιµάται σε 1.523,18 εκατομμύρια τόνους. Ειδικότερα τα χειμερινά σιτηρά καλλιεργούνται κάθε χρόνο σε έκταση μεγαλύτερη από εκατομμύρια στρέµµατα, σε περισσότερες από 120 χώρες. Το σιτάρι είναι το σημαντικότερο από τα αγρωστώδη φυτά και το πιο διαδομένο στον κόσμο.. Κατά την παραγωγική περίοδο (στοιχεία FAOStat) το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής του σιταριού προήλθε κυρίως από τις Ασιατικές χώρες και τα Ευρωπαϊκά κράτη. Το κριθάρι, λόγω της μεγάλης προσαρμοστικότητας του σε ποικιλία εδαφοκλιματικών συνθηκών, καλλιεργείται σ όλη τη γη, από τον ισημερινό μέχρι τους πόλους και σπέρνεται το φθινόπωρο ή την άνοιξη, µε κύριες χώρες παραγωγής τη Ρωσία, τον Καναδά, τη Γερμανία, την Ουκρανία, τη Γαλλία, την Ισπανία και την Τουρκία. Η βρώμη καλλιεργείται κύρια στη βόρεια και μέση Ευρώπη και στην Αμερική, ενώ 7

8 στις νοτιότερες χώρες η καλλιέργεια, είναι λιγότερο διαδομένη. Η καλλιέργεια του καλαμποκιού έχει εξαπλωθεί σε όλο τον κόσμο, αποδίδοντας έτσι καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου συγκομιδή. Οι χώρες µε τη μεγαλύτερη παραγωγή αραβοσίτου είναι εκτός Ευρωπαϊκής Ένωσης όπως οι ΗΠΑ, Κίνα, κ.λ.π. Ο αραβόσιτος αντιπροσωπεύει περίπου το 45% του συνόλου της παγκόσμιας παραγωγής και κατανάλωσης σιτηρών. Η καλλιέργεια ρυζιού αποτελεί τη βασική τροφή για τα 2/3 τουλάχιστον του πληθυσμού της γης και η παραγωγή του αναποφλοίωτου ρυζιού το 2004 ανήλθε στους 600 εκατομμύρια τόνους σε όλο τον κόσμο. Η παραγωγή σιτηρών σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, σύμφωνα µε στοιχεία του Υπουργείου Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων (Υπ.Α.Α.Τ) για την περίοδο , έφτασε τα 218 εκατομμύρια τόνους, αντιστοιχώντας σε χιλιάδες εκτάρια ΠΙΝΑΚΑΣ 4 Ευρωπαϊκή παραγωγή σιτηρών Μέσοι Όροι πενταετίας Προϊόντα έκταση απόδοση παραγωγή (1.000 εκτ.) (1.000 τον) Μαλακό σιτάρι ,80 6, ,40 Κριθάρι ,80 4, ,60 Αραβόσιτος 5.553,60 8, ,60 Σκληρό σιτάρι 3.684,40 2, ,20 Βρώµη 2.421,20 3, ,80 Σίκαλη 1.566,80 3, ,20 Σόργο 105,40 5,22 548,00 Σύνολο , ,80 (Υπ.Α.Α.Τ) Όπως είναι εύλογα κατανοητό η αύξηση παραγωγής των σιτηρών συνεπάγεται και άμεση αύξηση της ποσότητας άχυρου το οποίο είναι διαθέσιμο για χρήση ως βιομάζας. 8

9 2.3.2 Καλλιέργεια - παραγωγή σιτηρών, άχυρων στην Ελλάδα Η ετήσια παραγωγή της Ελλάδας σε σιτάρι, κριθάρι και άχυρο κατά την δεκαετία σύμφωνα με τα επίσημα στοιχεία του Υπουργείου Γεωργίας είναι η εξής: ΠΙΝΑΚΑΣ 5 Ετήσια παραγωγή δημητριακών και άχυρου σε χιλιάδες τόνους Έτος Σιτάρι Κριθάρι Άχυρο * * Υπολογίζεται στο 0.55 του βάρους του καρπού. Η μέση ετήσια παραγωγή άχυρου από σίτο και κριθάρι τα οποία αποτελούν τα δύο σπουδαιότερα δημητριακά και είναι ετήσια φυτά στην Ελλάδα υπολογίζεται περίπου στους τόνους. Το μεγαλύτερο μέρος του άχυρου περίπου 40% παράγεται στην Μακεδονία και Θράκη ενώ το 23% παράγεται στη Θεσσαλία. Παρατηρούμε ότι μέχρι το 2000 παρουσιάστηκε μείωση των καλλιεργούμενων εκτάσεων των χειμερινών σιτηρών και ιδιαίτερα αυτή του μαλακού σιταριού (μείωση η οποία συνεχίζεται και μέχρι το 2005 σύμφωνα με στοιχεία του Υπουργείου Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων (Υπ.Α.Α.Τ).Αντιθέτως η μέση στρεμματική απόδοση καθώς και αυτή των υπολοίπων χειμερινών σιτηρών παρουσίασε ανοδική τάση. Το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγωγής του μαλακού σιταριού προήλθε από τους νομούς Κοζάνης, Γρεβενών, Θεσσαλονίκης και Κιλκίς. Την ίδια περίοδο, παρουσιάστηκε αύξηση των καλλιεργούμενων εκτάσεων και της παραγωγής του σκληρού σιταριού, ενώ παρόμοια τάση παρουσίασε και η σίκαλη. Οι κύριοι νομοί παραγωγής σκληρού σιταριού είναι ο Έβρος, η Χαλκιδική, η Θεσσαλονίκη, το Κιλκίς, η Λάρισα και η Μαγνησία. Η καλλιεργούμενη µε κριθάρι και µε βρώμη έκταση, όσο και η παραγωγή τους ακολούθησε 9

10 πτωτική πορεία. Η καλλιέργεια δημητριακών καταλαμβάνει έκταση περίπου 12 εκατομμυρίων στρεμμάτων ετησίως. Η καλλιέργεια του ρυζιού, λόγω του ότι απαιτεί θερμό κλίμα και αφθονία νερού γίνεται σε υφάλμυρα εδάφη όπου µόνο αυτό το είδος μπορεί να ευδοκιμήσει. Οι σημαντικότεροι ορυζώνες στη χώρα µας εντοπίζονται στα δέλτα των ποταμών και σε παράκτιες περιοχές, κυρίως στη Μακεδονία και στους νομούς Θεσσαλονίκης και Σερρών. ΠΙΝΑΚΑΣ 6 Εγχώρια έκταση και παραγωγή σιτηρών Μέσοι εξαετίας Προϊόντα Έκταση Συνολική παραγωγή (στρέµµατα) (τόνοι) Σκληρό σιτάρι Μαλακό σιτάρι Κριθάρι Αραβόσιτος Ρύζι Σύνολο (Υπ.Α.Α.Τ) 2.4 Άχυρα σιτηρών και παραγόμενα προϊόντα εφαρμογών βιομάζας Το άχυρο μπορεί όπως το ξύλο να χρησιμοποιηθεί άμεσα μέσω της καύσης του για παραγωγή θερμότητας ή ηλεκτρισμού. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονη ερευνητική δραστηριότητα για την παραγωγή Βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινούχες πρώτες ύλες( άχυρο, ξύλο).αποτελέσματα έρευνας(ciemat, Ισπανία) δείχνουν ότι η παραγωγή ενός λίτρου αιθανόλης από 6 κιλά άχυρο σιτηρών κοστίζει 0.18 ευρώ ενώ η συνήθης αντίστοιχη παραγωγή από το σπόρο σιταριού, κριθαριού κοστίζει 0.36 ευρώ. Είναι σε πρώιμο ακόμα στάδιο σε σχέση με τους σπόρους σιτηρών που χρησιμοποιούνται ευρέως. Όπως φαίνεται και από την σχηματική απεικόνιση οι παραδοσιακές ενεργειακές καλλιέργειες των σιτηρών, του κριθαριού και του αραβόσιτου αποτελούν την πρώτη ύλη για την παραγωγή κυρίως Βιοαιθανόλης. 10

11 ΣΧΗΜΑ1 ΠΙΝΑΚΑΣ 7 Παραγωγή βιοαιθανόλης από πρώτες ύλες φυτικής προέλευσης. Πρώτη ύλη Παραγωγή βιοαιθανόλης (lt/t) Αραβόσιτος 372 Ζαχαροκάλαμο 62 Ζαχαρότευτλα 92 Σιτάρι 346 Πατάτες 96 Ρύζι 354 Μελάσα ζαχαρότευτλων 267 Μελάσα ζαχαροκάλαμου 313 (Πηγή: Ofoli, Stout., 1980). Επίσης ένα μικρό μέρος από το παραγόμενο άχυρο, γύρω στους τόνους προορίζεται για κτηνοτροφική χρήση ενώ μεγάλες ποσότητες καίγονται επιβαρύνοντας τον αέρα και δημιουργώντας ποικίλα προβλήματα περιβαλλοντικής ρύπανσης. Το άχυρο θεωρείται πολύ καλό υλικό για την παραγωγή κομπόστας σε ανάμιξη με άλλα γεωργικά κυρίως 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 (Israilides et.al, 1978). 11

12 ΠΙΝΑΚΑΣ 8 Είδος βιομάζας Κατανάλωση Θερμότητα Εξοικονόμηση (t) (TJ) CO2 (t) Καυσόξυλα Πυρηνόξυλο Υπολείμματα βιομηχανιών ξύλου Υπολείμματα εκκοκκισμού Φλοιός ρυζιού Πυρήνες Άχυρο ΣΥΝΟΛΟ (ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ-Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος) 3. Θερμοχημική μετατροπή 3.1 Η διαδικασία της Θερμοχημικής μετατροπή Μόνο λίγοι τύποι της βιομάζας όπως το ξύλο ή το άχυρο (σε μεγαλύτερες ποσότητες) μπορούν να χρησιμοποιηθούν απ ευθείας με καύση για παραγωγή ενέργεια. Πολλές από τις διαδικασίες είναι κατάλληλες είτε για απευθείας μετατροπή της βιομάζας σε ενέργεια είτε για τη μετατροπή της σε ενδιάμεσα προϊόντα. Συνήθως απαιτείται η επεξεργασία και ο εξευγενισμός της για τη μετατροπή της σε χρήσιμο καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και αυτό για να παραχθεί θερμότητα και ηλεκτρισμός. Κατά την πορεία της φωτοσύνθεσης σχηματίζονται οργανικές ενώσεις, δηλαδή η βιομάζα. Για να φτάσουμε πάντως στο στάδιο αυτό, πρέπει να συνυπάρξουν και άλλοι παράγοντες, όπως τα ανόργανα στοιχεία, που απορροφούν οι ρίζες από το έδαφος καθώς και οι κατάλληλες θερμοκρασιακές συνθήκες για κάθε είδος φυτού. Από τη στιγμή που η βιομάζα αυτή έχει σχηματιστεί, μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε πλέον σαν πηγή ενέργειας. 12

13 Η επιλογή της μεθόδου μετατροπής προσδιορίζεται από τους εξής παράγοντες, τη σχέση C/N και την περιεχόμενη υγρασία των υπολειμμάτων, την ώρα της συλλογής. Οι θερμοχημικές διεργασίες άχυρων αποτελούν τις ίδιες ακριβώς διεργασίες οι οποίες γίνονται και στην γενικότερη περίπτωση της Βιομάζας. Συγκεκριμένα περιλαμβάνουν αντιδράσεις που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, για διαφορετικές συνθήκες οξείδωσης. Οι διεργασίες αυτές χρησιμοποιούνται για τα είδη της βιομάζας με σχέση C/Ν<30 και υγρασία >5Ο%. Στις διεργασίες αυτές περιλαμβάνονται: α) Η πυρόλυση (θέρμανση απουσία αέρα). Με αυτή τη διεργασία μας δίνεται η δυνατότητα να «σπάσουμε» τη χρησιμοποίηση της βιομάζας από την παραγωγή ενέργειας. β) Η απευθείας καύση γ) Η αεριοποίηση δ) Η υδρογονοδιάσπαση και συγκεκριμένα α) Η πυρόλυση της βιομάζας παράγει ένα υγρό καύσιμο που μπορεί να μεταφερθεί και να αποθηκευθεί με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται ο υποδιπλασιασμός των αναγκαίων σταδίων της παραγωγής του καυσίμου αλλά και της παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας. Το καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί θερμότητα και ηλεκτρισμός με καύση σε λέβητες, μηχανές και τουρμπίνες. Προϊόντα πέρα από τα υγρά καύσιμα μπορούν να αποκτηθούν από τη πυρόλυση όπως ζωικός άνθρακας και αέρια. β) Η απευθείας και άμεση καύση της Βιομάζας Η βιομάζα μπορεί να καεί σε μικρής κλίμακας μοντέρνους λέβητες ατμού για σκοπούς θέρμανσης ή σε μεγαλύτερους λέβητες για τη παραγωγή ηλεκτρισμού ή συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (CHP). Το μεγαλύτερο ποσοστό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στο κύκλο Rankine (στρόβιλος ατμού). Στα συστήματα καύσης βιομάζας που είναι σε εμπορική χρήση σε όλο τον κόσμο, χρησιμοποιούνται ανόμοιες / ποικιλόμορφες τεχνολογίες. Αποκλειστικής καύσης βιομάζας εργοστάσια μπορούν να καίνε ένα μεγάλο εύρος καυσίμων, συμπεριλαμβανομένων και αποβλήτων. Η μετατροπή της τεχνολογίας των σταθμών παραγωγής ώστε να είναι δυνατή η ταυτόχρονη καύση βιομάζας και άνθρακα χρησιμοποιώντας κοινοποιημένο καύσιμο (PF) και ανακυκλοφορούμενη ρευστοποιημένη κλίνη (CCFB) ίσως να είναι μια επιλογή. 13

14 γ) Η αεριοποίηση Η αεριοποίηση της βιομάζας μετατρέπει τη βιομάζα σε ένα χαμηλής έως μέτριας θερμογόνου ικανότητας αέριο καύσιμο. Το καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απευθείας παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού με άμεση καύση σε Μ.Ε.Κ. και ύστερα με οδήγηση του καυσαερίου σε στροβίλους ή καύση απευθείας σε λέβητες μετά από κατάλληλο καθαρισμό. Εναλλακτικά, το παράγωγο αέριο μπορεί να αναμορφωθεί για να παράγει καύσιμα όπως μεθανόλη και υδρογόνο τα οποία έπειτα να χρησιμοποιηθούν σε κυψέλες καυσίμου ή μικροστροβίλους για παράδειγμα. Τα συστήματα που βασίζονται στην αεριοποίηση της βιομάζας και την καύση του παράγωγου καυσίμου ίσως παρουσιάσουν πλεονεκτήματα συγκρινόμενα με τη απευθείας καύση της, όσον αφορά τις οικονομίες κλίμακας και καθαρής και επαρκούς λειτουργίας. Εκατοντάδες μικρής κλίμακας σταθμοί σταθερής κλίνης με αεριοποίηση λειτουργούν σε όλο τον κόσμο, ειδικά σε αναπτυσσόμενες χώρες. Πρόσφατες δραστηριότητες αεριοποίησης ειδικά σε βιομηχανοποιημένες χώρες έχουν εστιάσει στα συστήματα ρευστοποιημένης κλίνης συμπεριλαμβανομένου και των συστημάτων ανακύκλωσης της άμμου της ρευστοποιημένης κλίνης. Μεγαλύτερα συστήματα στα οποία η αεριοποιημένη βιομάζα καίγεται και οδηγείται το καυσαέριο- διαδοχικά σε στροβίλους αερίου και στην συνέχεια σε λέβητα ανάκτησης θερμότητας H.R.S.G από τον οποίο εκμεταλλευόμαστε τον παραγόμενο ατμό και τον εκτονώνουμε σε ατμοστρόβιλο ( όλο το σύστημα ονομάζεται BICT/CC) είναι σε πειραματικό στάδιο. Τα BICT/CC συστήματα μπορούν να οδηγήσουν σε βαθμούς απόδοσης έως και 50%. Η αεριοποίηση γίνεται ένα αυξανόμενα δημοφιλές μέσο διαχείρισης δημοτικών στέρεων απόβλητων και ένα σημαντικό κομμάτι των νέων εργοστασιακών απόβλητων σε ενέργεια θα βασιστεί στη τεχνολογία της αεριοποίησης. δ) Η υδρογονοδιάσπαση 14

15 ΣΧΗΜΑ 2 4. Μέγιστο οικονομικό όφελος 4.1 Γενικά Η βιομάζα γενικά κατέχει το μεγαλύτερο μερίδιο μεταξύ των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με ποσοστό που αγγίζει το 63% στην ΕΕ. Σήμερα, η συνεισφορά της ενέργειας από βιομάζα φτάνει ήδη το 4% της συνολικής ενέργειας που παρέχεται στην ΕΕ, κυρίως μέσω θέρμανσης, και σε μικρότερο βαθμό μέσω εφαρμογών συμπαραγωγής θερμότητας και 15

16 ηλεκτρικής ενέργειας (CHP). Μέχρι το 2010, η βιομάζα αναμένεται να καλύπτει το 8% της συνολικής διατιθέμενης ενέργειας στην ΕΕ. Οι ενεργειακές καλλιέργειες όπως αυτή των σιτηρών είναι σημαντικές για τις αναπτυγμένες χώρες, όπως η χώρα μας, οι οποίες προσπαθούν να περιορίσουν αφενός τα οικολογικά προβλήματα, αφετέρου δε τα προβλήματα επάρκειας ενέργειας και γεωργικών πλεονασμάτων. Στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, τα γεωργικά πλεονάσματα και τα οικονομικά προβλήματα που δημιουργούν, οδηγούν αναπόφευκτα στη μείωση της γεωργικής γης και παραγωγής. Υπολογίζεται ότι την προσεχή δεκαετία εκ, στρέμματα γεωργικής γης θα πρέπει να αποδοθούν στις ενεργειακές καλλιέργειες, προκειμένου να αποφευχθούν τα προβλήματα των επιδοτήσεων των γεωργικών πλεονασμάτων και των χωματερών με ταυτόχρονη αύξηση των ευρωπαϊκών ενεργειακών πόρων. 4.2 Αξιοποίηση στην Ελλάδα-Μέγιστο οικονομικό όφελος Οι χρήσεις της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κάλυψη τοπικών αναγκών ή για τροφοδοσία του εθνικού ηλεκτρικού δικτύου και η κάλυψη αναγκών τηλεθέρμανσης κοντά στους τόπους παραγωγής της βιομάζας φαίνεται ότι μελλοντικά θα αποτελέσουν τους κύριους τομείς αξιοποίησης των τεράστιων ποσοτήτων βιομάζας από γεωργικά και δασικά υπολείμματα, καθώς και ενός σημαντικού μέρους της βιομάζας των ενεργειακών καλλιεργειών. Οι τελευταίες έχουν το πλεονέκτημα της υψηλότερης παραγωγής ανά μονάδα επιφάνειας καθώς και της ευκολότερης συλλογής. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι τα διαθέσιμα γεωργικά υπολείμματα της χώρας για παραγωγή ενέργειας από σιτηρά, αραβόσιτο, βάμβακα, καπνό, ηλίανθο, κλαδοδέματα, κληματίδες και πυρηνόξυλο, ανέρχονται ετησίως σε τόνους ή περίπου σε ΤΙΠ(Τόνοι Ισοδύναμου Πετρελαίου), ενώ τα δασικά μπορεί να ανέλθουν σε τόνους ή περίπου σε ΤΙΠ. Η αξιοποίηση της βιομάζας σε μονάδες παραγωγής θερμότητας για τη θέρμανση θερμοκηπίων αποτελεί μία ενδιαφέρουσα και οικονομικά συμφέρουσα προοπτική για τους ιδιοκτήτες τους. Ήδη, στο 10% περίπου της συνολικής έκτασης των θερμαινόμενων θερμοκηπίων της χώρας αξιοποιούνται διάφορα είδη βιομάζας. Ένα παράδειγμα αυτού του είδους χρήσης των άχυρων σιτηρών αποτελεί μία θερμοκηπιακή μονάδα έκτασης 2 στρεμμάτων, στο Νομό Σερρών, στην οποία καλλιεργούνται οπωροκηπευτικά. Σε αυτή τη μονάδα έχει εγκατασταθεί σύστημα παραγωγής θερμότητας, συνολικής θερμικής ισχύος kcal/h, το οποίο χρησιμοποιεί ως καύσιμο άχυρο σιτηρών. H ετήσια εξοικονόμηση συμβατικών καυσίμων που επιτυγχάνεται φθάνει τους 40 τόνους πετρελαίου. Στη χώρα μας 10 εκ. στρέμματα καλλιεργήσιμης γης έχουν ήδη ή προβλέπεται να περιθωριοποιηθούν και να εγκαταλειφθούν. Εάν η έκταση αυτή αποδοθεί στην ανάπτυξη 16

17 ενεργειακών καλλιεργειών η καθαρή ωφέλεια σε ενέργεια που μπορεί να αναμένεται, υπολογίζεται σε 5-6 ΜΤΙΠ, δηλαδή στο 5Ο-6Ο% της ετήσιας κατανάλωσης πετρελαίου. Από στοιχεία δημοσιευμένα του Υπ.Α.Α.Τ προκύπτει, ότι η Ελλάδα είναι ελλειμματική σε παραγωγή μαλακού σιταριού, κριθαριού και αραβοσίτου. Προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες της εγχώριας αγοράς εισάγονται ποσότητες ύψους 1 εκατομμυρίων τόνων μαλακού σιταριού, τόνων κριθαριού που προέρχονται κυρίως από Γερμανία και τόνων αραβοσίτου οι οποίοι εισάγονται κυρίως από Γαλλία. Η παραγωγή ρυζιού υπερκαλύπτει τις ανάγκες του πληθυσμού της χώρας µας. ΠΙΝΑΚΑΣ 9 βιοκαύσιμα από διάφορα φυτά & στρεμματικές αποδόσεις Βιοκαύσιμο Πρώτη ύλη Απόδοση Απόδοση σε Απόδοση σε Βιοκαύσιμο βιοκαύσιμο (κιλά/στρ.) (κιλά/στρ.) (λίτρα/στρέμμα) Βιοαιθανόλη Γλυκό σόργο Σιτάρι Αραβόσιτος Τεύτλα ΠΙΝΑΚΑΣ 10 Οικονομική ανάλυση φυτών για βιοαιθανόλη Σ. Σίτος Σ. Σίτος Τεύτλα Αραβόσιτος Ξηρ. Αρδ. Απόδοση (kg/στρ.) ,800 1,170 Τιμή ( /kg) Ακαθάριστο εισόδημα ( /στρ.) Ενοίκιο Γης ( /στρ.) Κόστος Παραγωγής ( /στρ.) Κέρδος προ επιδοτήσεων ( /στρ.) Επιδότηση ( /στρ.) Κέρδος προ φόρων και τόκων( /στρ.) Κέρδος(το ενοίκιο χωρίς γης)( /στρ.) (Στοιχεία 2006,Περιοχή Ορεστιάδας-Κόστος ενοικιαζόμενων καλλιεργητικών επεμβάσεων) 17

18 Για την στήριξη των καλλιεργειών των σιτηρών θα δοθούν οικονομικά κίνητρα τα οποία σύμφωνα με την Νέα ΚΑΠ(Κεντρική Αγροτική Πολιτική- Κοινοτική οδηγία ΕΚ 1782/2003) θα χορηγείται ενίσχυση 45 ανά εκτάριο για εκτάσεις που καλύπτονται με ενεργειακές καλλιέργειες, για την παραγωγή βιοκαυσίμων μεταφορών και ηλεκτρικής & θερμικής ενέργειας. Από τα παραπάνω είναι προφανές ότι για να έχουμε μέγιστο οικονομικό όφελος και με τα υπάρχοντα οικονομικά και επιστημονικά δεδομένα όσον αφορά την χρήση των άχυρων σιτηρών ως Βιομάζα, πρέπει: Να μειωθεί αρχικώς η εισαγωγή σιταριού και άλλων προϊόντων από χώρες του εξωτερικού και στην συνέχεια να αυξηθεί η εγχώρια καλλιεργήσιμη γη σιτηρών. Από αυτή ένα ποσοστό θα αφιερωθεί αποκλειστικά και μόνο στις ενεργειακές καλλιέργειες που με τις ευρωπαϊκές επιδοτήσεις θα ανακουφίσει τα γεωργικά εισοδήματα και θα ενισχύσει την Ελληνική Οικονομία. Το υπόλοιπο ποσοστό των στρεμμάτων καλλιέργειας των σιτηρών θα προορισθεί αφενός μεν για την διατροφή των ανθρώπων και ζώων( ο καρπός, τα φύλλα κ.ά) αφετέρου δε τα υπολείμματα του άχυρα για κατάλληλο υλικό βιομάζας. Να δημιουργηθούν μονάδες καύσης για παραγωγή θέρμανσης και ηλεκτρισμού σε κοντινή απόσταση από τις τροφοδοτούμενες μονάδες. Τα άχυρα είτε θα ανακυκλώνονται σε βιομηχανίες παραγωγής μανιταριών, σε εταιρείες κομποστοποίησης και ζωοτροφών είτε θα καίγονται σε μονάδες θερμοκηπίων, σε εγκαταστάσεις συμπαραγωγής μικρής κλίμακας για θέρμανση κατοικιών ή μικρών βιοτεχνιών. Αυτό σημαίνει ότι η εφαρμογή του είναι εφικτή και αποδοτική σε προαστιακές πόλεις και νομούς παραγωγής σιτηρών εκτός της Αττικής όπως σε περιοχές της Μακεδονίας, Θράκης και Θεσσαλίας, Αύξηση της εγχώριας παραγωγής σιτηρών συνεπάγεται αύξηση των εξαγόμενων προϊόντων άρα αύξηση εισοδημάτων για το κράτος, οικονομικότερη κάλυψη αναγκών κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας και θέρμανσης με αποτέλεσμα την μείωση χρήσης ορυκτών καυσίμων και την μερική απεξάρτηση από αυτά. Η παραγωγή Βιοαιθανόλης από άχυρο σιτηρών είναι ακόμα σε πρώιμο και διερευνητικό στάδιο. Τα πρώτα οικονομικά δεδομένα αυτού του εγχειρήματος είναι θετικά αλλά στην Ελλάδα δεδομένου της απουσίας ειδικών τέτοιων μονάδων και της αντίστοιχης τεχνογνωσίας (σε αντίθεση με τις Η.Π.Α) μα τέτοια προσπάθεια θα ήταν ανέφικτη και οικονομικά ασύμφορη. 18

19 5. Γενικά συμπεράσματα Σχόλια Από την παρούσα έρευνα καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι τα άχυρα σιτηρών μπορούν να αποτελέσουν ένα προϊόν με πολύπλευρες και αποδοτικές οικονομικά δυνατότητες εκμετάλλευσης από τον σύγχρονο επενδυτή. Σαν χαρακτηριστικό παράδειγμα θα μπορούσαμε να αναφέρουμε ότι ένας αγρότης (επενδυτής) από την Θεσσαλία ο οποίος καλλιεργεί σιτηρά είναι σε ευνοϊκή θέση γιατί μπορεί να τα εκμεταλλευτεί με δύο τρόπους. Είτε ευθέως ως ενεργειακή καλλιέργεια,όπου μπορεί να ενισχυθεί με την ευρωπαϊκή επιδότηση και να τα πωλήσει στις αντίστοιχες μονάδες καύσης βιομάζας είτε να πωλήσει αρχικώς τον παραγόμενο καρπό στις βιομηχανίες διατροφής, όπου υπάρχει σημαντική ζήτηση και στην συνέχεια τα υπολείμματα-άχυρα στις μονάδες βιομάζας.και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις όμως θα υπάρχει όφελος οικονομικό, κοινωνικό και περιβαλλοντικό. 19

20 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ενεργειακές καλλιέργειες, Ενεργειακές καλλιέργειες στον ευρωπαϊκό και ελληνικό χώρο, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε) 2. Προοπτικές τομέα σιτηρών επίσημο φυλλάδιο Υπουργείου Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων 3. Δημοσίευση Αρθρων από το Γεωργία-Κτηνοτροφία 1/ Ενεργειακές Καλλιέργειες-Επισκόπηση Έρευνας & Ανάπτυξης, πρακτικά ημερίδας IENE για τα Υγρά Βιοκαύσιμα, Βασίλης Λυχναράς, Γεωργο-οικονομολόγος Τμήμα Βιομάζας ΚΑΠΕ 5. Βιοκαύσιμα από το χωράφι, ενεργειακές καλλιέργειες που Άρθρο της εφημερίδας ΕΘΝΟΣ,14/11/ Αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων, Κ.Ι. Ισραηλίδης, Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ΕΘΙΑΓΕ 7. Ψάχνοντας Ενέργεια στα Σκουπίδια και στα Άχυρα Άρθρο της εφημερίδας ΒΗΜΑ,21/8/ Η χρήση των γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοκαυσίμων Γεώργιος Νταλός,Τμήμα Σχεδιασμού και Τεχνολογίας Ξύλου και Επίπλου. ΤΕΙ Λάρισας 20