Ρύπανση-Ενέργεια και Τεχνολογίες Αντιρύπανσης

ΚΠΠ 60/Β Μέθοδοι Αξιοποίησης Βιομάζας για Παραγωγή Βιοκαυσίμων Ρύπανση-Ενέργεια και Τεχνολογίες Αντιρύπανσης Tόμος Τόμος Β Χρήστος Κορδούλης Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ISBN ISBN 978-960-538-934-5 960538934-7 9 789605 389345 Μέθοδοι Αξιοποίησης Βιομάζας για Παραγωγή Βιοκαυσίμων

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο», η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του Υ.ΠΑΙ.Θ. Μέθοδοι Αξιοποίησης Βιομάζας για Παραγωγή Βιοκαυσίμων Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδη μα ϊ κοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Θεματική Ενότητα ΡΥΠΑΝΣΗ-ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙΡΥΠΑΝΣΗΣ Τόμος Β Μέθοδοι Αξιοποίησης Βιομάζας για Παραγωγή Βιοκαυσίμων Συγγραφή ΧΡΗΣΤΟΣ ΚΟΡΔΟΥΛΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Κριτική Ανάγνωση ΑΛΕΞΙΟΣ ΛΥΚΟΥΡΓΙΩΤΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του Π.Σ. ΑΛΕΞΙΟΣ ΛΥΚΟΥΡΓΙΩΤΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της Θ.Ε. ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΣ ΑΛΜΠΑΝΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Ιωαννίνων Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΗΛΙΑΣ ΜΑΥΡΟΕΙΔΗΣ Γλωσσική Επιμέλεια ΧΑΡΙΚΛΕΙΑ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση opusmagnum ISBN: 978-960-538-934-5 Κωδικός Έκδοσης: ΚΠΠ 60/Β Copyright 2013 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650 To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Θεματική Ενότητα ΡΥΠΑΝΣΗ-ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙΡΥΠΑΝΣΗΣ Τόμος Β Μέθοδοι Αξιοποίησης Βιομάζας για Παραγωγή Βιοκαυσίμων ΧΡΗΣΤΟΣ ΚΟΡΔΟΥΛΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ 2013

Βιογραφικό Ο Χρήστος Κορδούλης είναι Καθηγητής του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών στο γνωστικό αντικείμενο της Κατάλυσης. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα εστιάζονται στην ανάπτυξη καταλυτών για την προστασία του περιβάλλοντος και την παραγωγή καθαρής ενέργειας. Είναι συνεργαζόμενο μέλος του Ινστιτούτου Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας καθώς και συνεργαζόμενο μέλος του Εκπαιδευτικού Προσωπικού του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις δημοσιεύσεις και το ερευνητικό του έργο μπορείτε να ανατρέξετε στην προσωπική του ιστοσελίδα http://www.chem.upatras.gr/faculty/kordulis.

Περιεχόμενα Πρόλογος... 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή στα βιοκαύσιμα Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...19 1.1 Ενεργειακές πηγές...22 1.2 Βιομάζα Βιοκαύσιμα...25 1.3 Η στροφή προς τα βιοκαύσιμα...29 1.4 Πολιτική σε σχέση με τα βιοκαύσιμα...32 1.5 Κατηγορίες βιοκαυσίμων...33 1.6 Πλεονεκτήματα και προκλήσεις σε σχέση με τα βιοκαύσιμα...36 1.7 Υγρά βιοκαύσιμα...39 1.7.1 Υγρά βιοκαύσιμα πρώτης γενιάς...39 1.7.2 Υγρά βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς...40 1.7.3 Υγρά βιοκαύσιμα τρίτης γενιάς...43 1.8 Αέρια βιοκαύσιμα...46 1.9 Κριτήρια επιλογής είδους βιομάζας και διεργασιών για παραγωγή βιοκαυσίμων...48 Σύνοψη...51 Βιβλιογραφία...53 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...55

8 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Βιοαιθανόλη Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...57 2.1 Πρώτες ύλες και διεργασίες για παραγωγή βιοαιθανόλης πρώτης γενιάς...63 2.1.1 Σακχαρούχες πρώτες ύλες...63 2.1.2 Αμυλούχες πρώτες ύλες...65 2.2 Πρώτες ύλες και διεργασίες παραγωγής βιοαιθανόλης δεύτερης γενιάς...69 2.2.1 Πρώτες ύλες...69 2.2.2 Θερμοχημικές διεργασίες...76 2.2.3 Βιολογικές διεργασίες...83 2.3 Χρήσεις της βιοαιθανόλης ως καυσίμου...86 2.3.1 Μείγματα βενζίνης-βιοαιθανόλης...86 2.3.2 Μείγματα ντίζελ-βιοαιθανόλης...88 2.3.3 Βιοαιθανόλη και υδρογόνο...89 2.3.4 Βιοαιθανόλη για κελιά καυσίμου...90 2.4 Παραγωγή προσθέτων στα καύσιμα από βιοαιθανόλη...91 Σύνοψη...95 Βιβλιογραφία...96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Βιοντίζελ Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...99 3.1 Μέθοδοι αξιοποίησης ανανεώσιμων λιπαρών υλών ως βιοκαυσίμων...104

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9 3.1.1 Πυρόλυση...104 3.1.2 Αραίωση με συμβατικό ντίζελ...107 3.1.3 Δημιουργία μικρογαλακτώματος...107 3.1.4 Μετεστεροποίηση...108 3.2 Η χημεία της παραγωγής βιοντίζελ...111 3.2.1 Οι αντιδράσεις μετεστεροποίησης των τριγλυκεριδίων...111 3.2.2 Η επίδραση των συνθηκών της αντίδρασης στην παραγωγή βιοντίζελ...113 3.3 Η κατάλυση στην παραγωγή βιοντίζελ...118 3.3.1 Βασικοί καταλύτες μετεστεροποίησης...118 3.3.2 Μηχανισμός μετεστεροποίησης παρουσία βασικών καταλυτών...119 3.3.3 Όξινοι καταλύτες μετεστεροποίησης...120 3.3.4 Μηχανισμός μετεστεροποίησης παρουσία όξινων καταλυτών...123 3.3.5 Καταλυτική μετεστεροποίηση με χρήση συνδιαλύτη...125 3.3.6 Σύγκριση ομογενούς και ετερογενούς διεργασίας καταλυτικής μετεστεροποίησης...126 3.3.7 Ένζυμα ως καταλύτες μετεστεροποίησης...131 3.3.8 Μη καταλυτική μετεστεροποίηση...135 3.3.9 Παραγωγή βιοντίζελ χωρίς παραγωγή γλυκερόλης...138 3.4 Χαρακτηριστικά του βιοντίζελ που καθορίζουν την ποιότητά του...141 3.4.1 Λειτουργικότητα χαμηλής θερμοκρασίας...142 3.4.2 Οξειδωτική σταθερότητα...143 3.4.3 Ιξώδες...144 3.4.4 Αριθμός κετανίου...144 3.4.5 Ενεργειακό περιεχόμενο...145

10 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ 3.4.6 Λιπαντική ικανότητα...146 3.4.7 Ποιότητα ανάφλεξης...146 3.4.8 Σημείο ανάφλεξης...146 3.5 Εκπομπές καυσαερίων...147 Σύνοψη...149 Βιβλιογραφία...150 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Πρόσθετα καυσίμων από γλυκερόλη Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...153 4.1 Παράγωγα γλυκερόλης ως πρόσθετα καυσίμων...159 4.2 Αιθεροποίηση της γλυκερόλης...161 4.2.1 Αιθεροποίηση με ισοβουτένιο...161 4.2.2 Αιθεροποίηση με γλυκερόλη...163 4.3 Ακετυλίωση της γλυκερόλης...167 4.4 Ακεταλοποίηση της γλυκερόλης...169 4.5 Αναμόρφωση της γλυκερόλης...170 Σύνοψη...172 Βιβλιογραφία...173 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ανανεώσιμο ντίζελ Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...175 5.1 Καταλυτικές αντιδράσεις παραγωγής ανανεώσιμου ντίζελ...178 5.2 Καταλύτες παραγωγής ανανεώσιμου ντίζελ...181 5.2.1 Στηριγμένοι μεταλλικοί καταλύτες...181

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 5.2.2 Στηριγμένοι θειωμένοι καταλύτες...183 5.3 Τεχνολογίες παραγωγής ανανεώσιμου ντίζελ...186 5.4 Σύγκριση ανανεώσιμου ντίζελ με βιοντίζελ...190 Σύνοψη...194 Βιβλιογραφία...195 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Υγρά βιοκαύσιμα με αεριοποίηση λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας και διεργασία Fischer-Tropsch Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...197 6.1 Η χημεία της αεριοποίησης...201 6.2 Προβλήματα που συνδέονται με την αεριοποίηση της βιομάζας...208 6.3 Καταλυτική αεριοποίηση της βιομάζας...210 6.4 Καταλύτες νικελίου...213 6.4.1 Απενεργοποίηση...213 6.4.2 Η επίδραση του υποστρώματος και των τροποποιητών...214 6.5 Εισαγωγή στη διεργασία Fischer-Tropsch...217 6.6 Ανάπτυξη καταλυτών Fischer-Tropsch...222 6.7 Καταλύτες Fe για τη διεργασία Fischer-Tropsch...225 6.8 Καταλύτες Co για τη διεργασία Fischer-Tropsch...229 Σύνοψη...235 Βιβλιογραφία...237

12 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Υγρά βιοκαύσιμα με πυρόλυση/υγροποίηση λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...239 7.1 Πυρόλυση...243 7.1.1 Η επίδραση των συνθηκών πυρόλυσης στην απόδοση της διεργασίας...246 7.1.2 Ταχεία πυρόλυση...249 7.1.3 Καταλυτική πυρόλυση βιομάζας...252 7.2 Υγροποίηση της βιομάζας...255 7.3 Χημική σύσταση των βιοελαίων...260 7.4 Χαρακτηριστικά των βιοελαίων...264 7.5 Αποθήκευση των βιοελαίων: τα προβλήματα και η αντιμετώπισή τους...270 7.6 Αναβάθμιση των βιοελαίων για παραγωγή βιοκαυσίμων...276 7.6.1 Υδρογονοαποξυγόνωση...276 7.6.2 Καταλύτες υδρογονοαποξυγόνωσης βιοελαίων...281 7.6.3 Παραγωγή καυσίμων μεταφορών με HDO βιοελαίων...286 7.6.4 Υδρογονοπυρόλυση βιοελαίων για παραγωγή καυσίμων...288 7.6.5 Αναβάθμιση βιοελαίων με τη βοήθεια υπερκρίσιμων ρευστών...289 7.6.6 Αναβάθμιση βιοελαίων με προσθήκη διαλυτών/εστεροποίηση...290 7.6.7 Αναβάθμιση βιοελαίων με γαλακτωματοποίηση...292 7.6.8 Αναμόρφωση βιοελαίων με ατμό...293 7.6.9 Αναμόρφωση βιοελαίων και παραγωγή υγρών καυσίμων με διεργασία Fischer-Tropsch...293

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 13 Σύνοψη...296 Βιβλιογραφία...299 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Βιοκαύσιμα από μικροφύκη Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...301 8.1 Ο ρόλος των μικροφυκών στην παραγωγή βιοκαυσίμων...305 8.2 Βιολογία των μικροφυκών...308 8.3 Τεχνολογίες παραγωγής βιομάζας από μικροφύκη...310 8.3.1 Φωτοαυτοτροφική παραγωγή μικροφυκών...311 8.3.2 Ετεροτροφική παραγωγή μικροφυκών...318 8.3.3 Μεικτοτροφική παραγωγή μικροφυκών...319 8.3.4 Παραγωγή μικροφυκών και παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση σε βιοκαύσιμα...320 8.4 Διεργασίες που συνδυάζονται με την παραγωγή μικροφυκών...324 8.4.1 Μείωση των εκπομπών CO 2 με καλλιέργεια μικροφυκών...324 8.4.2 Δυνατότητα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με καλλιέργεια μικροφυκών...325 8.5 Συγκομιδή των μικροφυκών...327 8.5.1 Μέθοδοι συγκομιδής...327 8.5.2 Παραλαβή ελαίων και άλλων χρήσιμων συστατικών από τα μικροφύκη...328 8.6 Μέθοδοι παραγωγής βιοκαυσίμων από μικροφύκη...331 Σύνοψη...336 Βιβλιογραφία...338

14 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Βιοαέριο Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...339 9.1 Η διαδικασία παραγωγής του βιοαερίου...342 9.2 Πρώτες ύλες για παραγωγή βιοαερίου...344 9.2.1 Βιοαέριο από λυματολάσπη και κοπριά...346 9.2.2 Τα χαρακτηριστικά της λυματολάσπης και της κοπριάς...346 9.2.3 Βιοαέριο από στερεά απόβλητα...349 9.3 Η επίδραση των συνθηκών της αναερόβιας χώνευσης στην παραγωγή βιοαερίου...351 9.4 Ο σχεδιασμός του βιοαντιδραστήρα (χωνευτήρα)...354 9.5 Σύσταση και αναβάθμιση του βιοαερίου...362 Σύνοψη...365 Βιβλιογραφία...367 Γλωσσάρι...369 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...377 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...406 Κατάλογος σχημάτων...434 Παράρτημα έγχρωμων σχημάτων...439