Κεφάλαιο 01-00 σελ. 1 01-00: Βιομάζα για παραγωγή ενέργειας Γενικά στοιχεία Από το 1987, όταν η αναφορά «Το κοινό μας μέλλον» παρουσιάστηκε από την Επιτροπή Brundtland, η βιωσιμότητα είναι στην ατζέντα πολλών κρατών του κόσμου. Η βιώσιμη ανάπτυξη, σύμφωνα με τον ορισμό της αναφοράς, πρέπει να εξασφαλίζει ότι κάθε γενιά θα έχει τις δυνατότητες να ικανοποιήσει τις (βασικές) της ανάγκες χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την εξασφάλιση των αναγκών των μελλοντικών γενεών. Η βιώσιμη ανάπτυξη πρέπει να βασίζεται σε τρεις πυλώνες: 1) Οικολογική βιωσιμότητα, 2) Κοινωνική βιωσιμότητα και 3) Οικολογική βιωσιμότητα. Η υπερθέρμανση του πλανήτη και οι επιπτώσεις της, όπως προβλέπονται από τα κλιματικά μοντέλα της IPCC, παραβιάζουν την αρχή της οικολογικής βιωσιμότητας μέσω της αντικατάστασης γνωστών οικοσυστημάτων με άγνωστα και μέσω της μετάθεσης κλιματικών ζωνών κατά τρόπο που ενδεχομένως να μετατρέψει περιοχές που είναι σήμερα πυκνοκατοικημένες σε ακατάλληλες για ανθρώπινη ζωή. Για τον ίδιο λόγο παραβιάζει και την κοινωνική βιωσιμότητα, καθώς απειλεί να εκθέσει μεγάλους πληθυσμούς σε παρατεταμένη ασιτία ή στην εγκατάλειψη των πάτριων εδαφών τους. Παραβιάζει τέλος την οικονομική βιωσιμότητα μέσω του κινδύνου αύξησης του κόστους αντιμετώπισης κλιματογενών καταστροφών και μαζικής μετανάστευσης. Σύμφωνα με τη συντριπτική πλειοψηφία των κλιματικών επιστημόνων, το διοξείδιο του άνθρακα είναι κύριος παράγοντας στην παρατηρούμενη κλιματική αλλαγή. Όλες οι στατιστικές, ανεξαρτήτως πηγής, συμφωνούν ότι η κύρια ανθρωπογενής πηγή διοξειδίου του άνθρακα είναι η χρήση ορυκτών καυσίμων: άνθρακα, πετρελαίου, φυσικού αερίου. 01-00-01: Το φαινόμενο του θερμοκηπίου μια ευαίσθητη ισορροπία Ο,τιδήποτε έχει θερμοκρασία άνω του απόλυτου μηδέν (-273.15 o C) εκπέμπει θερμική ακτινοβολία. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί τη βασική αρχή λειτουργίας οπτικών θερμομέτρων, τα οποία μπορούν να μετρήσουν την εξωτερική θερμοκρασία ενός αντικειμένου, για παράδειγμα ενός κτιρίου, από απόσταση. Τα θερμόμετρα αυτά συλλέγουν την υπέρυθρη (δηλαδή τη θερμική) ακτινοβολία με φακό και την εστιάζουν σε σένσορα, το σήμα του οποίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η ακτινοβολία αυτή είναι μεγάλου μήκους κύματος και χαμηλής έντασης. Όσο θερμότερο είναι ένα αντικείμενο, τόσο μικρότερο γίνεται το μήκος κύματος και τόσο εντονότερη η ακτινοβολία σε θερμοκρασίες της τάξης των 5600 o C η ένταση γίνεται τόσο μεγάλη ώστε η θερμική ακτινοβολία περνάει στο ορατό φάσμα ως μια σκούρα κόκκινη λάμψη. Σε μεγαλύτερες ακόμα θερμοκρασίες, το μήκος κύματος μειώνεται περισσότερο και το χρώμα μετατοπίζεται από πορτοκαλί σε διαρκώς λαμπρότερο κίτρινο, σε κίτρινο με μπλε λάμψη και τελικά πλησιάζει το λευκό. Ταυτόχρονα, αυξάνεται διαρκώς η ένταση.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 2 Η θερμοκρασία της επιφάνειας του ηλίου είναι περίπου 6000 o C οπότε εκπέμπει λευκό φως πολύ υψηλής εντάσεως. Καθώς το φως αυτό χτυπάει τη γη, απορροφάται μερικώς από την ατμόσφαιρα, τη βλάστηση και το έδαφος και το νερό. Μέρος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ανακλάται πίσω στο διάστημα και δεν απορροφάται καθόλου. Καθώς η ενέργεια του φωτός απορροφάται από τη γη, μετατρέπεται σε θερμότητα και η γη ανεβάζει θερμοκρασία. Με έναν αρκετά απλό υπολογισμό, θεωρώντας ότι δεν υπάρχει ατμόσφαιρα και όλη η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από τη γη, το ισοζύγιο ενέργειας αντιστοιχεί σε μια μέση θερμοκρασία του πλανήτη μεταξύ -10 και -15 o C. Στην πραγματικότητα, η μέση θερμοκρασία της γης είναι μερικούς βαθμούς Κελσίου πάνω από αυτό το εύρος. Η διαφορά αυτή οφείλεται στο φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου οφείλεται κυρίως στους υδρατμούς. Οι υδρατμοί έχουν την ιδιότητα να είναι σχεδόν «διάφανοι» όσον αφορά την ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος, ενώ απορροφούν ακτινοβολία μεγαλύτερου μήκους κύματος. Έτσι, ενώ η μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να διέλθει από την ατμόσφαιρα και να φτάσει μέχρι την επιφάνεια της γης, η ανακλώμενη ακτινοβολία από το έδαφος και την επιφάνεια της θάλασσας δεν μπορεί να βγει στο διάστημα και απορροφάται πάλι από την ατμόσφαιρα, αυξάνοντας έτσι τη θερμοκρασία της. Τα γυάλινα τζάμια σε ένα θερμοκήπιο έχουν ακριβώς την ίδια ιδιότητα: επιτρέπουν στην ηλιακή ακτινοβολία να εισέλθει στο θερμοκήπιο αλλά την εμποδίζουν να εξέλθει. Το διοξείδιο του άνθρακα, μαζί με κάποια άλλα αέρια, όπως το μεθάνιο και το εξαφθοριούχο θείο, έχουν αντίστοιχες ιδιότητες με τους υδρατμούς και επομένως ενισχύουν το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου. Αυτό ακριβώς είναι το πρόβλημα. Η αύξηση της συγκέντρωσης των λεγόμενων αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα οδηγεί στην ένταση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Άλλοι μηχανισμοί λειτουργούν προς την αντίθεση κατεύθυνση. Για παράδειγμα, μικρά σωματίδια, όπως τα σωματίδια αιθάλης, βοηθούν στην αντανάκλαση μέρους της ακτινοβολίας πίσω στο διάστημα και μειώνουν την απορρόφηση ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα. Κατ αντίστοιχο τρόπο, η αυξημένη συννεφιά λειτουργεί ενάντια στην παγκόσμια υπερθέρμανση. Μέχρι σήμερα μετρήσεις δείχνουν ότι η μέση παγκόσμια θερμοκρασία ανεβαίνει και η καλύτερη συμφωνία μεταξύ των πειραματικών μετρήσεων και των θερμοκρασιακών προβλέψεων από θεωρητικά κλιματικά μοντέλα απαιτούν τη χρήση από τα τελευταία δεδομένων που αφορούν όχι μόνο φυσικές μεταβολές, όπως ηφαιστειακές εκρήξεις, αλλά και τις ανθρωπογενείς εκπομπές από την αρχή της βιομηχανικής επανάστασης. Αν οποιαδήποτε από τις δυο αυτές σειρές δεδομένων παραλειφθούν, τότε τα κλιματικά μοντέλα δεν μπορούν να αναπαράξουν τις μετρούμενες θερμοκρασίες. Για το λόγο αυτό, η IPPC συμπεραίνει ότι οι ανθρωπογενείς εκπομπές παίζουν όντως σημαντικό ρόλο στην τρέχουσα τάση της παγκόσμιας θερμοκρασίας.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 3 Οι χρονικές κλίμακες που σχετίζονται με τις μεταβολές του παγκόσμιου κλίματος είναι πολύ διαφορετικές. Ενώ οι μεταβολές στη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας μπορεί να παρατηρηθούν πολύ γρήγορα, σε κλίμακα μερικών ετών, η μεταβολή της θερμοκρασίας των θαλασσών μπορεί να απαιτήσει αιώνες. Οι μεταβολές της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου με το χρόνο είναι επίσης διαφορετικές μεταξύ τους. Η συγκέντρωση των υδρατμών μεταβάλλεται πολύ γρήγορα εξαιτίας της εξάτμισης από τους ωκεανούς τις ζεστές μέρες και της βροχής. Αντίθετα, το διοξείδιο του άνθρακα, όπως και άλλα αέρια του θερμοκηπίου που καλύπτονται από το Πρωτόκολλο του Κιότο, παραμένουν στην ατμόσφαιρα για δεκαετίες ή και αιώνες. Έτσι, απαιτείται σχετικά μικρός χρόνος δεκαετίες προκειμένου τα αέρια αυτά να επιφέρουν μεταβολές στο παγκόσμιο κλίμα που θα διαρκέσουν αιώνες. 01-00-02: Ο κύκλος του άνθρακα άλλη μια ευαίσθητη ισορροπία Ο άνθρακας είναι ένα στοιχείο κεφαλαιώδους σημασίας για το σχηματισμό οργανικής ζωής. Μαζί με το οξυγόνο και το υδρογόνο είναι τα κύρια στοιχεία σχηματισμού των υδρογονανθράκων που απαρτίζουν τους ζωντανούς ιστούς τόσο των ζώων όσο και των φυτών. Καθώς οι οργανισμοί αναπτύσσονται και μεγαλώνουν, ο άνθρακας δεσμεύεται από το ζωντανό ιστό η ίδια ποσότητα άνθρακα ελευθερώνεται στο περιβάλλον μετά το θάνατο και την αποσύνθεση των οργανισμών. 01-00-02a: Η φωτοσύνθεση Ο πιο σημαντικός μηχανισμός δέσμευσης άνθρακα σε ζωντανούς ιστούς είναι η φωτοσύνθεση. Μέσω της φωτοσύνθεσης το διοξείδιο του άνθρακα απορροφάται από την ατμόσφαιρα σε φυτά που αναπτύσσονται. Μαζί με νερό και με την ηλιακή ενέργεια το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε πλούσια ενεργειακά ζάχαρα τα οποία χρειάζονται τα φυτά και τα οποία μετατρέπονται με τη σειρά τους σε άλλες ουσίες, όπως η κυτταρίνη που χρησιμοποιούμε για ρουχισμό (το βαμβάκι και το λινάρι δεν είναι τίποτα περισσότερο από ίνες κυτταρίνης) και χαρτί και μετασχηματίζονται σε ξύλο (το ξύλο αποτελείται από κυτταρίνη και άλλη μια ουσία που ονομάζεται λιγνίνη) το οποίο χρησιμοποιούμε σε οικίες και άλλες κατασκευές, καθώς και σε άλλες χρήσεις. Παραπροϊόν της φωτοσύνθεσης είναι το παραγόμενο οξυγόνου το οποίο ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Ο όρος φωτοσύνθεση περιλαμβάνει τρεις βασικούς μηχανισμούς: Σε ήπιες και υπό-πολικές περιοχές, η συντριπτική πλειοψηφία των αυτοφυών φυτών χρησιμοποιεί τη λεγόμενη φωτοσύνθεση C 3 για την πρόσληψη άνθρακα. Ανάμεσα στα τυπικά δέντρα των ήπιων και βόρειων κλιματικών ζωνών που εμπίπτουν σε αυτό το φωτοσυνθετικό μονοπάτι περιλαμβάνονται η σημύδα (betula), η μελία (fraxinus), η οξιά (fagus), το πεύκο (pinus) και το έλατο (picea) just to mention a few. Η ονομασία C 3 προκύπτει από το γεγονός ότι τα ενδιάμεσα προϊόντα της φωτοσύνθεσης είναι μόρια με τρία άτομα άνθρακα.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 4 Για να αντιμετωπίσουν θερμά ή/και ξηρά κλίματα, τα φυτά ελαχιστοποιούν τις απώλειες νερού λόγω διαπνοής κλείνοντας τους πόρους των φύλλων (στόματα) και ελαχιστοποιώντας έτσι τη συγκέντρωση CO 2 στα κύτταρα. Ο μηχανισμός C 4, κατά τον όποιο σχηματίζονται ενδιάμεσα μόρια με τέσσερα άτομα άνθρακα, χρησιμοποιεί ένα επιπλέον ένζυμο το οποίο είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, ακόμα κι όταν η συγκέντρωσή του γύρω ή μέσα στο κύτταρο είναι μικρή. Φυτά που έχουν αναπτύξει το μηχανισμό φωτοσύνθεσης C 4 για την επιβίωσή τους περιλαμβάνουν το ζαχαροκάλαμο (saccharum officinarum), τον αραβόσιτο (zea mays) και πολλά άλλα είδη μεγάλης εμπορικής σημασίας,. Τα χυμώδη φυτά που αποθηκεύουν νερό και είναι προσαρμοσμένα σε εξαιρετικά ξηρές συνθήκες, όπως οι κάκτοι (cactaceae), έχουν αναπτύξει έναν άλλο, ακόμα πιο εξεζητημένο μηχανισμό για την αποδοτική χρήση του διοξειδίου του άνθρακα χωρίς να χάνουν υπερβολική υγρασία από την κυτταρική αναπνοή. Τα φυτά αυτά εντάσσονται στην κατηγορία CAM, αλλά έχουν μηδενικό ή περιορισμένο ενδιαφέρον για την ενεργειακή αξιοποίησή τους. Ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες του φωτοσυνθετικού μονοπατιού του κάθε φυτού, το τελικό αποτέλεσμα είναι ο συνδυασμός του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού για την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας σε γλυκόζη, η οποία μετατρέπεται στη συνέχεια σε κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και άλλες ουσίες. Για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού σε γλυκόζη και κυτταρίνη, τα φυτά χρησιμοποιούν ένζυμα, πρωτεΐνες και αμινοξέα ένα από τα πλέον γνωστά είναι η χλωροφύλλη. 01-00-02b: Ο φυσικός κύκλος του άνθρακα Οι οργανισμοί που δεν μπορούν να δεσμεύσουν απευθείας τον άνθρακα από την ατμόσφαιρα για να σχηματίσουν νέους ζωτικούς ιστούς εξαρτώνται από την πρόσληψη ήδη σχηματισμένων αποθεμάτων δεσμευμένου άνθρακα για την ανάπτυξή τους. Οι αγελάδες και τα γουρούνια είναι δυο παραδείγματα τέτοιων οργανισμών: Οι αγελάδες όπως πολλά ζώα είναι φυτοφάγα και εξαρτώνται πλήρως από την κατανάλωση φυτών για την παροχή του άνθρακα και της ενέργειας που απαιτείται για την ανάπτυξη και τη ζωή τους. Μεγάλο μέρος του φαγητού που καταναλώνουν είναι κυτταρίνη, την οποία το πεπτικό τους σύστημα μπορεί να χωνέψει και να διασπάσει σε μικρότερα μέρη τα οποία θα συνθέσουν τις πρωτεΐνες, τα λίπη και τις άλλες ουσίες που χρειάζονται. Τα γουρούνια όπως πάλι και άλλα ζώα είναι παμφάγα. Το πεπτικό τους σύστημα μπορεί να χωνέψει την κυτταρίνη μέχρι κάποιο βαθμό αλλά είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί βέλτιστα με ένα μείγμα πρωτεϊνών και λιπαρών από μια μεικτή δίαιτα αποτελούμενη από φυτικές και ζωικές πρωτεΐνες. Σε κάθε περίπτωση, ο άνθρακας που βρίσκεται σε κάθε αναπτυσσόμενο, ζωντανό οργανισμό προέρχεται σχεδόν αποκλειστικά από άνθρακα που απομακρύνθηκε από την ατμόσφαιρα και δεσμεύτηκε σε ένα αναπτυσσόμενο φυτό μέσω της φωτοσύνθεσης. Ο ίδιος αυτός άνθρακας μπορεί να πέρασε από αρκετούς μηχανισμούς πριν καταλήξει σε ένα λιοντάρι ή μια ύαινα για παράδειγμα ή μπορεί να δεσμεύτηκε με φωτοσύνθεση και να βρήκε απευθείας χρήση σε αυτή την αρχική μορφή, όπως ο άνθρακας στο ελαιόλαδο ή στις ίνες βαμβακιού.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 5 Όταν ένας οργανισμός πεθαίνει, η οργανική ύλη αποσυντίθεται και μετασχηματίζεται ξανά στα αρχικά της συστατικά: νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Η διεργασία αυτή μπορεί να είναι εξαιρετικά αργή, όπως στις ερήμους όπου οργανικά υλικά όπως κομμάτια ρούχων και προϊστορικά υφαντά έχουν βρεθεί μετά από χιλιάδες χρόνια, ή πολύ γρήγορη, όπως στους κάδους κομποστοποίησης. Όπως ακριβώς το οξυγόνο ελευθερώνεται κατά το σχηματισμό νέας οργανικής ύλης κατά τη φωτοσύνθεση, έτσι και η ίδια ποσότητα οξυγόνου καταναλώνεται κατά την αποσύνθεση. Επίσης, το ίδιο ποσό ενέργειας που δεσμεύεται κατά τη φωτοσύνθεση, ελευθερώνεται κατά την αποσύνθεση. Η αργή και φυσική αποσύνθεση του οργανικού υλικού μπορεί να αντικατασταθεί από μια γρήγορη και ελεγχόμενη διαδικασία που ονομάζεται καύση, η οποία θα καλυφθεί με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στη στήλη 4 αυτού του οδηγού. Το πλεονέκτημα της καύσης του οργανικού υλικού σε σχέση με την αργή αποσύνθεσή του είναι ότι στην πρώτη περίπτωση μπορεί να γίνει πρακτική χρήση της ενέργειας που ελευθερώνεται κάτι το οποίο είναι πολύ δύσκολο να γίνει στην αργή βιολογική αποσύνθεση. Η παραγωγή ενέργειας από ξηρή βιομάζα είναι πολύ πιο εύκολη με την άμεση καύση η καύση της ποώδους και ξυλώδους βιομάζας εξετάζονται στη δεύτερη και τρίτη σειρά του οδηγού αντίστοιχα. Η καύση είναι ουσιαστικά μια διαδικασία ενός βήματος: το καύσιμο έρχεται σε άμεση επαφή με τη σωστή ποσότητα οξυγόνου, το μείγμα αναφλέγεται και μετά η διαδικασία αφήνεται να εξελιχθεί μέχρι τέλους. Άλλες θερμοχημικές διεργασίες όπως η αεριοποίηση, η πυρόλυση και η πυρόλυση χαμηλών θερμοκρασιών (torrefaction) διαφέρουν από την καύση ως προς το ότι η διαδικασία μετατροπής του καυσίμου είναι τμηματική: αρχικά, ένα μέρος μόνο του καυσίμου καίγεται. Αυτό ισοδυναμεί με το διαχωρισμό του σε αέρια, υγρά και στερεά μέρη σε υψηλές θερμοκρασίες. Το δεύτερο βήμα μπορεί να συμβεί είτε κοντά στο πρώτο, στην αυξημένη θερμοκρασία της αρχικής διεργασίας, είτε τα αέρια, υγρά και στερεά προϊόντα μπορούν να αφεθούν να κρυώσουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και η τελική τους καύση να πραγματοποιηθεί αργότερα είτε στον ίδιο είτε σε άλλο χώρο. Γενικά μιλώντας, αυτού του είδους η βηματική καύση οδηγεί σε χαμηλότερο συνολικό βαθμό απόδοσης, καθώς κάθε μέρος της διεργασίας εισάγει απώλειες. Το πλεονέκτημα που συνήθως επιδιώκεται είναι ότι η τελική καύση των πιο «ποιοτικών» μέρων του καυσίμου μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες και σε καθαρότερο καύσιμο σε σχέση με την περίπτωση μη τμηματικής καύσης. Προφανώς, η συνολική ενέργεια που εκλύεται από τη βιομάζα δεν μπορεί να ξεπεράσει αυτή που δεσμεύτηκε μέσω της φωτοσύνθεσης και η συνολική ποσότητα του άνθρακα παραμένει σταθερή. Ξανά, αυτό εξετάζεται στη στήλη 4 του οδηγού. Αν η βιομάζα αφεθεί να αποσυντεθεί στον αέρα σε ανοιχτό χώρο, η αφθονία οξυγόνου θα οδηγήσει τελικά σε πλήρη αποσύνθεσή της σε διοξείδιο του άνθρακα, υδρατμούς και ενέργεια. Αν ωστόσο η διαθεσιμότητα οξυγόνου είναι περιορισμένη, τότε η βιολογική αυτή διεργασία θα οδηγήσει σε ένα αέριο υψηλού ενεργειακού περιεχόμενου. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αναερόβια χώνευση και, για πολλά είδη βιομάζας, αποτελεί την πιο αποδοτική διεργασία ανάκτησης του ενεργειακού περιεχομένου της. Το κύριο ενεργειακό συστατικό του προϊόντος αερίου είναι το μεθάνιο, ακριβώς όπως και στο φυσικό αέριο. Έτσι, ένα
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 6 καθαρισμένο και επεξεργασμένο αέριο προϊόν αναερόβιας χώνευσης μπορεί να επεξεργαστεί ως «φυσικό αέριο», να υγροποιηθεί και να διανεμηθεί σε φιάλες, να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο αυτοκινήτων ή να βρει άλλες εφαρμογές. Τα είδη βιομάζας (αποσυντιθέμενη βιομάζα) που ταιριάζουν καλύτερα σε αυτού του είδους την αξιοποίηση εξετάζονται στη σειρά 3 του οδηγού. Και σε αυτή την περίπτωση, η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται και η συνολική ποσότητα άνθρακα περιορίζονται από το τι απορροφήθηκε κατά το στάδιο της φωτοσύνθεσης. Η βιοχημική επεξεργασία δεν προσδίδει επιπλέον ενεργειακό περιεχόμενο ή νέες ποσότητες άνθρακα. Για μείγματα διαφορετικών ειδών βιομάζας, η βέλτιστη τεχνολογία ενεργειακής αξιοποίησης ποικίλει: άμεση καύση σε ορισμένες περιπτώσεις, βηματικές θερμοχημικές μεθόδους ή βιοχημική επεξεργασία σε άλλες. Η επιλογή εξαρτάται από την ακριβή σύσταση του υλικού και θα εξεταστεί στη σειρά 4 αυτού του οδηγού. Επομένως, η χρήση βιομάζας για παραγωγή ενέργειας είναι απλά η αντικατάσταση της αργής αποσύνθεσης που συμβαίνει αυθόρμητα σε νεκρούς οργανικούς ιστούς με μια γρήγορη και επιβαλλόμενη διεργασία που συμβαίνει σε κλειστό χώρο και από την οποία μπορούμε να αξιοποιήσουμε πρακτικά την παραγόμενη ενέργεια. Ανεξάρτητα από το αν η συνολική διεργασία λαμβάνει χώρα σε ένα ή παραπάνω στάδια, δεν υπάρχουν τελικά διαφορές στα ακόλουθα: Η ποσότητα της εκλυόμενης ενέργειας δε μεταβάλλεται αλλά είναι ακριβώς η ίδια με αυτή που δεσμεύεται μέσω της φωτοσύνθεσης. Η ποσότητα του εκλυόμενου άνθρακα δε μεταβάλλεται αλλά είναι ακριβώς η ίδια με αυτή που δεσμεύεται μέσω της φωτοσύνθεσης. Η ποσότητα του εκλυόμενου υδρογόνου δε μεταβάλλεται αλλά είναι ακριβώς η ίδια με αυτή που δεσμεύεται μέσω της φωτοσύνθεσης. Η ποσότητα του καταναλισκόμενου οξυγόνου δε μεταβάλλεται αλλά είναι ακριβώς η ίδια με αυτή που ελευθερώνεται μέσω της φωτοσύνθεσης. Το μόνο πράγμα που αλλάζει είναι ότι η διεργασία λαμβάνει χώρα εντός δευτερολέπτων, λεπτών ή ωρών αντί για δεκαετιών και ότι επομένως οι θερμοκρασίες που μπορούν να φτάσουν ανέρχονται σε μερικές εκατοντάδες βαθμούς Κελσίου αντί για τους μερικούς μόνο βαθμούς που μπορεί να φτάσει ένας οικιακός κάδος κομποστοποίησης. Αυτό καθιστά το ενεργειακό περιεχόμενο της βιομάζας χρήσιμο, αλλά δεν επηρεάζει το φυσικό κύκλο του άνθρακα. Το παγκόσμιο μέτρο στη διατήρηση του φυσικού κύκλου του άνθρακα, με την προϋπόθεση ότι δεν προστίθενται σε αυτόν επιπλέον ποσότητες άνθρακα, είναι η διατήρηση του παγκόσμιου δυναμικού δέσμευσης άνθρακα από την ανάπτυξη των δασών και των άλλων οργανικών υλικών. Όσο διατηρείται η δυνατότητα δέσμευσης άνθρακα και δεν προστίθεται επιπλέον άνθρακας στον κύκλο, τότε ο δεσμευμένος άνθρακας από την αναπτυσσόμενη βιομάζα θα εξισορροπήσει μακροπρόθεσμα την απελευθέρωση άνθρακα.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 7 Υπάρχει και ένας δεύτερος αργός αλλά φυσικός κύκλος άνθρακα, μερικώς εκτός των οργανικών υλικών. Ο κύκλος αυτός αφορά ορυκτοποιημένο άνθρακα και άνθρακα δεσμευμένο σε κελύφη, όπως το κέλυφος οστράκων, ή κόκκαλα. Τέτοια μέρη ζώων περιλαμβάνουν δεσμευμένο άνθρακα στη μορφή ανθρακικών αλάτων, τα οποία ορυκτοποιούνται αργά για να σχηματίσουν ασβεστόλιθο, ο οποίος με τη σειρά του εξορύσσεται και χρησιμοποιείται σε έναν αριθμό βιομηχανικών διεργασιών. Η τσιμεντοβιομηχανία είναι ένα καλό παράδειγμα. Η παραγωγή τσιμέντου περιλαμβάνει την έψηση ασβεστόλιθου αρχικά σε υψηλές θερμοκρασίες (600 900 o C) και εν συνεχεία την πυροσωμμάτωση μαζί με πρόσθετα σε ακόμα υψηλότερες θερμοκρασίες (1400 1450 o C). Σήμερα, η επίτευξη των θερμοκρασιών αυτών πραγματοποιείται κυρίως με ορυκτά καύσιμα τα οποία αντιστοιχούν σε περίπου 50% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά την παραγωγή τσιμέντου (συνήθως 0.7 1 kg CO 2 /kg τσιμέντου)cement), ενώ το υπόλοιπο 50% αντιστοιχεί στην απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα από τον ασβεστόλιθο κατά την θέρμανσή του. Συμπερασματικά: για να περιορίσουμε την υπερβολική έκλυση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και να διατηρήσουμε την ισορροπία του φυσικού κύκλου άνθρακα, πρέπει να εξετάσουμε όχι μόνο την επιλογή καυσίμων σε διαφορετικές διεργασίες, αλλά πρέπει να επανεξετάσουμε τις χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες, να αυξήσουμε τα ποσοστά επαναχρησιμοποίησης και ανακύκλωσης των παραγόμενων υλικών και ενδεχομένως να αναπτύξουμε νέες διεργασίες. 01-00-02c: Ο κύκλος του άνθρακα με τα ορυκτά καύσιμα Σε αντίθεση με τα όσα αναφέρθηκαν στο 01-00-02a, τα καύσιμα που σήμερα ονομάζουμε «ορυκτά» σχηματίστηκαν πριν περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι ο άνθρακας δεσμεύτηκε σε αυτά τα καύσιμα με φωτοσύνθεση πριν αιώνες, αλλά ελευθερώνεται στον τρέχον κύκλο του άνθρακα. Η έκφραση «ο τρέχων κύκλος άνθρακα» αναφέρεται στην κυκλοφορία του άνθρακα στο ισοζύγιο των τελευταίων εκατό ετών. Εκατό έτη είναι περίπου ο χρόνος που απαιτείται για την ανάπτυξη δέντρων στις υποαρκτικές περιοχές και χρησιμοποιείται ως μια παγκόσμια και κοινή βάση για το ισοζύγιο του άνθρακα. Έτσι, ο άνθρακας που δεσμεύεται και ελευθερώνεται εντός ενός αιώνα θεωρείται να βρίσκεται σε ισορροπία, ενώ ο αρχαιότερος άνθρακας θεωρείται προσθήκη στον κύκλο. Φυσικά, το όριο αυτό δεν είναι αυστηρό, αλλά μια μέση τιμή. Τα εκατό έτη είναι ένας αυθαίρετα ορισμένος αριθμός επιλεγμένος έτσι ώστε να αντιπροσωπεύει ένα αργά αναπτυσσόμενο, αλλά μεγάλο και σημαντικό σε παγκόσμιο επίπεδο οικοσύστημα, την τάιγκα. Μέχρι τώρα πρέπει να έχει γίνει σαφές τα ορυκτά καύσιμα από την πλευρά της ισορροπίας του άνθρακα αντιπροσωπεύουν ορυκτοποιημένο άνθρακα και επομένως, από την ίδια οπτική γωνία, μπορεί να φαίνονται αντίστοιχα με τον ασβεστόλιθο. Στην πράξη, αποτελεί μέρος του πολύ αργού, αλλά φυσικού, κύκλου του ορυκτοποιημένου άνθρακα. Μπορεί επίσης να υποστηριχθεί ότι και άλλες χρήσεις ορυκτοποιημένου άνθρακα, όπως η χρήση ασβεστόλιθου για την παραγωγή κλίνκερ πρέπει να αντιμετωπιστούν με τον ίδιο τρόπο όπως τα ορυκτά καύσιμα. Ο λόγος που αυτό δεν έχει συμβεί ακόμα είναι ότι, μέχρι τώρα, θεωρείται πολύ ευκολότερο να αντικατασταθούν τα ορυκτά καύσιμα με νέες μεθόδους
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 8 για παραγωγή ενεργειακών φορέων και ενεργειακών υπηρεσιών απ ότι είναι για παράδειγμα η αντικατάσταση της χρήσης ασβεστόλιθου ως πρώτης ύλης για την παραγωγή τσιμέντου. Ανεξάρτητα από την πηγή και τη διεργασία, η απελευθέρωση ορυκτοποιημένου άνθρακα στην ατμόσφαιρα αυξάνει την ποσότητα του άνθρακα που κυκλοφορεί στο σύντομο κύκλο άνθρακα, δηλαδή αυτόν που αφορά τους αναπτυσσόμενους ζωντανούς οργανισμούς, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει αργά το ρυθμό με τον οποίο ο άνθρακας δεσμεύεται σε ορυκτή μορφή. Ο αργός και γρήγορος κύκλος άνθρακα, που αφορά ζωντανή και νεκρή βιομάζα, τους ωκεανούς και την ατμόσφαιρα, είναι αυτός που επηρεάζει το κλίμα. Για να διατηρηθεί η βραχυχρόνια ισορροπία (δηλαδή η ισορροπία από την οπτική των εκατό περίπου ετών) απαιτείται η αύξηση του δυναμικού δέσμευσης του άνθρακα έτσι ώστε οι πρόσθετες ποσότητες που εκλύονται στην ατμόσφαιρα να δεσμευτούν και να μην οδηγήσουν σε αύξηση της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Οι ωκεανοί διαδραματίζουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο σε αυτή την ιστορία, καθώς οι τεράστιες ποσότητες νερού στις θάλασσες έχουν την ικανότητα να διαλύσουν τεράστιες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, όπως πράγματι συμβαίνει. Δυστυχώς, αυτό έχει και αρνητικές επιδράσεις για παράδειγμα, οι ζημιές που αναφέρονται τα τελευταία χρόνια στους κοραλλιογενείς υφάλους μπορεί να αποδοθούν εν μέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα στο θαλασσινό νερό. Ο άλλος τρόπος να αυξηθεί το παγκόσμιο δυναμικό δέσμευσης άνθρακα είναι να αυξηθούν οι εκτάσεις στο στερεό φλοιό της γης που φιλοξενούν αποθέματα βιομάζας. Παγκοσμίως, οι κύριες εκτάσεις που φιλοξενούν οικοσυστήματα με μεγάλο δυναμικό δέσμευσης άνθρακα είναι τα δάση σε τροπικά, ήπια ή υποαρκτικά κλίματα. Αν η συνολική ποσότητα των δέντρων, μετρούμενη σε τόνους ή m 3 στερεής, ζωντανής ξυλείας, αφήνονταν να αυξηθεί, τότε θα επιτυγχάνονταν μια σημαντική αύξηση της αποθηκευόμενης ποσότητας άνθρακα. Δυστυχώς, αυτό δε συμβαίνει, ενώ η αποψίλωση δασών συνεχίζεται σε παγκόσμιο επίπεδο. 01-00-03: Βιοενέργεια και περιβάλλον Σε παγκόσμια κλίμακα, η φωτοσύνθεση παράγει περίπου 150 000 000 000 τόνους ξηρής κυτταρίνης κάθε έτος, 150 δισεκατομμύρια τόνους. Η συλλογή και η χρήση αυτής της βιομάζας για ενεργειακή αξιοποίηση δεν περιλαμβάνει από μόνη της κάποια συνεισφορά στον κύκλο του άνθρακα, αλλά σε περίπτωση που τα στάδια του θερισμού ή του συστήματος μεταφοράς της βιομάζας στους τελικούς χρήστες καταναλώνουν ορυκτά καύσιμα για παράδειγμα πετρέλαιο για την κίνηση των φορτηγών ή για τη λειτουργία των θεριζοαλωνιστικών θα υπάρχει καθαρή συνεισφορά στην αύξηση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου από τα βιοκαύσιμα. Επομένως, η χρήση βιοκαυσίμων δεν είναι απολύτως ουδέτερη ως προς το ισοζύγιο του άνθρακα, αλλά επηρεάζεται από τις υπάρχουσες υποδομές.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 9 Τα περιβαλλοντικά ζητήματα που εγείρει η χρήση βιομάζας είναι γενικά τα εξής τέσσερα: Υπάρχει ανταγωνισμός μεταξύ της συλλογής βιομάζας για ενεργειακή αξιοποίηση και της εμπορικής εκμετάλλευσής της για άλλους σκοπούς; Υπάρχει ζήτημα μη επάρκειας τροφίμων, λαμβάνοντας υπόψη και το διαρκώς αυξανόμενο πληθυσμό της γης, όταν πραγματοποιείται ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας; Υπάρχει απειλή για τη βιοποικιλότητα λόγω της αυξημένης χρήσης βιομάζας για παραγωγή ενέργειας; Υπάρχει κίνδυνος αύξησης των εκπομπών αέριων ρύπων και άλλων ρυπαντών, όπως τα οξείδια του αζώτου, η αιθάλη κτλ, από την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας; Είναι εμφανές ότι η απάντηση στα ερωτήματα αυτά εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τις τοπικές, περιφερειακές, εθνικές και διεθνείς πολιτικές και τις ακολουθούμενες συστημικές προσεγγίσεις. Η πρώτη προτεραιότητα όσον αφορά την επιλογή ειδών βιομάζας κατάλληλων για τοπικά / περιφερειακά συστήματα βιοενέργειας θα πρέπει να είναι η χρήση τέτοιων κλασμάτων που να μπορούν να παραχθούν μαζί με τρόφιμα και άλλες εμπορικές καλλιέργειες. Από αυτό συνεπάγεται ότι μεγάλης έκτασης μονοκαλλιέργειες πρέπει να αποφεύγονται. Η συστημική λύση η εφοδιαστική αλυσίδα μαζί με την επιλογή πρώτης ύλης θα πρέπει να επιλεχθεί έτσι ώστε να αποφευχθεί ο ανταγωνισμός και να προωθεί η ταυτόχρονη παραγωγή διαφορετικών ειδών. Όσον αφορά το τέταρτο ζήτημα, πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η επιλογή διεργασίας, άμεση καύση, αεριοποίηση, πυρόλυση υψηλής ή χαμηλής θερμοκρασίας ή οποιαδήποτε άλλη διεργασία, και η επιλογή του εξοπλισμού πρέπει να ταιριάζει στην υπό εξέταση βιομάζα. Υπό την προϋπόθεση ότι ο εξοπλισμός έχει επιλεχθεί σωστά και ότι τα συστήματα ελέγχου της διεργασίας λειτουργούν σωστά, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη θερμική κατεργασία της βιομάζας μπορούν να ελεγχθούν αποτελεσματικά και δεν αποτελούν λόγο ανησυχίας. Ωστόσο, ανεπαρκής εξοπλισμός ή έλεγχος της διεργασίας, σε συνδυασμό με μεταβαλλόμενη ποιότητα του βιοκαυσίμου, μπορεί να αποδειχθεί καταστροφικός στο τοπικό περιβάλλον και την ποιότητα του αέρα. Το κείμενο στη στήλη 4, κεφάλαιο 04-00, θα εξετάσει με περισσότερη λεπτομέρεια αυτά τα θέματα. 01-00-04: Βιοενέργεια και οικονομία Η βιομάζα όπως έγινε σαφές στην ενότητα που αφορά τη φωτοσύνθεση παράγεται σε μεγάλες εκτάσεις και διατίθεται σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Το ανώτατο όριο για το φωτοσυνθετικό μονοπάτι C 3 είναι μεταξύ 5-10 τόνων ξηρού υλικού ανά στρέμμα και έτος. Το θεωρητικό αυτό όριο είναι μεγαλύτερο από το παρατηρούμενο στην πράξη, όπου οι ρυθμοί ανάπτυξης ανέρχονται συνήθως σε λιγότερο από 3 τόνους ξηρού υλικού ανά στρέμμα και έτος και επηρεάζονται ιδιαίτερα από το γεωγραφικό μήκος, έτσι ώστε σε υποπολικές περιοχές να είναι τόσο χαμηλό όσο 0,1 0,3 τόνους.
Κεφάλαιο 01-00 σελ. 10 Επίσης, σε περιοχές όπου η γεωργική παραγωγή τροφίμων ή / και ινών είναι ιδιαίτερα εντατική, ο ρυθμός παραγωγής μπορεί να είναι μικρός. Για παράδειγμα, ας θεωρήσουμε την περίπτωση όπου το βιοκαύσιμο παράγεται μαζί με ζάχαρη. Το ζαχαροκάλαμο μπορεί να έχει ένα ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 1 τόνου ξηρού υλικού ανά στρέμμα και έτος, ωστόσο του υπόλειμμα που μπορεί να διατεθεί για την παραγωγή ενέργειας είναι μόνο το 30% (περίπου) αυτής της ποσότητας, επομένως 0,3 τόνους ανά στρέμμα και έτος. Επομένως, ο ρυθμός παραγωγής καυσίμου είναι σημαντικά χαμηλότερος από το ρυθμό παραγωγής βιομάζας. Άλλα είδη εμπορικών καλλιεργειών έχουν διαφορετικούς λόγους κυρίως υλικού προς υπολείμματος. Αναλυτικότερη εξέταση αυτών των θεμάτων περιλαμβάνονται στα κεφάλαια 02-02 και 03-02. Γενικά, η εφοδιαστική αλυσίδα αποτελεί ένα κύριο παράγοντα καθορισμού του κόστους των συστημάτων βιοενέργειας, καθώς η επίδρασή της στο συνολικό κόστος είναι πολύ καθοριστικότερη σε σχέση με τα ενεργειακή συστήματα που βασίζονται στα ορυκτά καύσιμα. Για την αντιμετώπιση του αυξημένου αυτού κόστους, τα συστήματα βιοενέργειας πρέπει να σχεδιάζονται έτσι ώστε η συνολική αποδοτικότητα να είναι μέγιστη. Επιπλέον, πρέπει να σχεδιάζονται σύμφωνα με τα όρια που θέτει το κόστος της εφοδιαστικής αλυσίδας και, επομένως, δεν μπορεί να είναι ιδιαίτερα μεγάλα. Η συνολική δομή του κόστους των συστημάτων βιοενέργειας είναι επομένως πολύ διαφορετική από τα συνηθισμένα για τα συστήματα ορυκτών καυσίμων. Η πέμπτη στήλη αυτού του οδηγού παρέχει ορισμένες ενδείξεις για το πώς διαμορφώνεται το κόστος της βιοενέργειας. Τονίζεται ότι η στήλη 5 δεν περιλαμβάνει αναλυτικές εκτιμήσεις κόστους αλλά μια εξέταση της συνολικής δομής κόστους.