ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΠΜΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΙΟΜΑΖΑ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΠΜΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΙΟΜΑΖΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΜΟΝΑ ΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ ΓΛΥΚΟ ΣΟΡΓΟ, ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΟΝΟΜΑ: ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΥ ΕΛΕΝΗ

Εισαγωγη Στην εργασία αυτή θα γίνει η µελέτη µίας νέας εγκατάστασης στην Ελλάδα βιοδιύλισης του ενεργειακού φυτού γλυκό σόργο, που θα έχει ως κύριο προϊόν την βιοαιθανόλη. Στόχος είναι η διερεύνηση του κατά πόσο είναι οικονοµικά προσοδοφόρο η διµηουργία µιας τέτοιας εγκατάστασης. 1. Γλυκό σόργο 1.1 Χαρακτηριστικά-Εφαρµογές Το γλυκό σόργο (Sorghum bicolor L. Moench) αποτελεί ένα από τα πλέον υποσχόµενα καλλιεργούµενα είδη. Είναι µονοετές φυτό (συγκεκριµένα η διάρκεια καλλιέργειάς του είναι 4,5 µήνες [1]) µε υψηλή φωτοσυνθετική ικανότητα, υψηλές αποδόσεις σε βιοµάζα και υψηλό ποσοστό σε διαλυτά ζάκχαρα και κυτταρίνες. Η περιεκτικότητα του σε ζάχαρη είναι 15-23%, σε χυµό 48-50% και σε ζάκχαρα 14-20%. Σηµαντικό πλεονέκτηµά του είναι ότι µπορεί να παράξει σηµαντικές ποσότητες βιοµάζας ακόµη και σε συνθήκες µειωµένων εισροών (ύδρευσης, λίπανσης, ζιζανιοκτονίας) [2]. Το γλυκό σόργο έχει πολλές εφαρµογές. Ο καρπός του µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε ως τροφή (πχ σιρόπι) είτε ως ζωοτροφή, τα στελέχη του χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ζάχαρης ή αιθανόλης, ενώ το υπόλειµµα των στελεχών µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε ως στερεό καύσιµο είτε ως ζωοτροφή µε πολύ υψηλή θρεπτική αξία, µπορεί ακόµη και να αντικαταστήσει το ξύλο ως δοµικό υλικό [3]. 1.2 Καλλιέργεια γλυκού σόργου στην Ελλάδα Αν και το γλυκό σόργο προέρχεται από την. Αφρική, απαντάται σε περιοχές µε υποτροπικό έως εύκρατο κλίµα. Αναπτύσσεται σε όλους τους τύπους εδαφών, εύφορα και υποβαθµισµένα, και η προσαρµογή του στα Μεσογειακά οικοσυστήµατα της Νότιας Ευρώπης είναι πολύ καλή. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει η δυνατότητα καλλιέργειας του στην Ελλάδα γεγονός απαραίτητο για την συνέχιση της εργασίας αυτής. Απόδειξη αποτελούν πιλοτικές καλλιέργειες σόργου στην Ελλάδα (~100 στρέµµατα συνολικά) οι οποίες απέφεραν πολύ υψηλές αποδόσεις βιοµάζας τόσο στη νότιο όσο και στη βόρειο Ελλάδα [4],[5],[6]. Υψηλότερες αποδόσεις παρουσιάστηκαν στην βόρειο Ελλάδα (10-14 tn χλωρής βιοµαζας/στρεµµα) [7]. 1.3. Απόδοση σε βιοαιθανόλη Η καλλιέργεια του γλυκού σόργου έχει αξιολογηθεί ως µία από τις πιο δυναµικές ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Πίνακας 1: Αποδόσεις καλλιέργειας γλυκού σόργου ανά στρέµµα [8] Απόδοση (kg χλωρό/στρ) Απόδοση σε βιοαιθανόλη (kg/στρ) Απόδοση σε βιοαιθανόλη (lt/στρ) Γλυκό σόργο 7.000-10.000 474-711 600-900

2. Βιοαιθανόλη 2.1 Χαρακτηριστικά - Παραγωγή Η βιοαιθανόλη είναι υγρό καύσιµο υψηλής ενεργειακής περιεκτικότητας, «καθαρότερο» περιβαλλοντικά της βενζίνης, το οποίο µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως υποκατάστατο της σε διάφορα ποσοστά (εξαρτάται από την µηχανή). Είναι σχεδόν καθαρή αλκοόλη (ethyl alcohol, grain alcochol, ETOH). Έχει υψηλότερο αριθµό οκτανίου και θερµότητα εξάτµισης από την βενζίνη, γεγονός που την κάνει πιο αποτελεσµατική, όµως µειονεκτεί έναντι της βενζίνης στο γεγονός ότι έχει µικρότερη ενεργειακή πυκνότητα και µεγάλη αναµιξιµότητα µε το νερό [4],[9],[10]. Η βιοαιθανόλη αποτελεί προϊόν ζύµωσης βιοµάζας. Ως πρώτη ύλη, χρησιµοποιούνται υλικά τα οποία περιέχουν υψηλά ποσοστά ζακχάρων, ή υλικά τα οποία µπορούν να µετατραπούν σε ζάκχαρα όπως το άµυλο και τα λιγνοκυτταρινούχα υλικά [4],[11]. Η λιγνοκυτταρινούχα πρώτη ύλη αποτελεί το πιο ελπιδοφόρο υλικό για την παραγωγή βιοκαυσίµου δεύτερης γενιάς, όµως επειδή ακόµη δεν είναι δοκιµασµένα σε µεγάλης κλίµακας µονάδες [12],[13], αν και περιέχεται στα στελέχη του γλυκού σόργου, δεν θα χρησιµοποιηθεί προς αυτή την κατεύθυνση στην παρούσα εργασία. Το γλυκό σόργο είναι η πιο κατάλληλη πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης, λόγω του υψηλότερου περιεχοµένου σε ζάκχαρα σε σχέση µε άλλες πηγές (π.χ. ζαχαροκάλαµο) καθώς και για το ότι έχει υψηλότερα οφέλη από τα παραπροϊόντα της διεργασίας παραγωγής βιοαιθανόλης [4]. 2.2 Ευρωπαϊκή Ένωση Νοµοθεσία Ο στόχος της Ευρωπαϊκής Ένωσης είναι να στηρίξει τη χρήση βιοκαυσίµων προς την αντικατάσταση του πετρελαίου κίνησης και της βενζίνης σε όλες της χώρες της. Έτσι µε την κοινοτική οδηγία 2003/03/ΕΚ προβλέπεται ότι έως το 2010 θα πρέπει να έχει γίνει υποκατάσταση της βενζίνης από βιοαιθανόλη σε ποσοστό 5,75% κ.β. (9,34% κ.ο.) [14],[15] Η Ελλάδα ενθαρρύνοντας την κοινοτική νοµοθεσία πέρασε τον Εθνικό νόµο 3423/2005 το οποίο προβλέπει είτε την εισαγωγή είτε την παραγωγή βιοαιθανόλης, καθώς και την υιοθέτηση των ποσοστών της υποκατάστασης που επιβάλει η Ευρωπαϊκή Ένωση [16] 2.3 Παραγωγή Βιοαιθανόλης στην Ελλάδα Στην Ελλάδα µέχρι στιγµής δεν έχει εγκατασταθεί ούτε µία µονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης. Αυτό σε γεγονός σε συνδυασµό µε τη νοµοθεσία για το ποσοστό υποκατάστασης της βιοαιθανόλης στην βενζίνη, δείχνει ότι η εγκατάσταση µιας νέας µονάδας - στην συγκεκριµένη περίπτωση µε πρώτη ύλη το γλυκό σόργο θα µπορούσε να αποβεί προσοδοφόρα αν όχι επιτακτική. Το 2010 προβλέπεται ότι η κατανάλωση βενζίνης στην Ελλάδα θα είναι 4.200.000 tn [16] το οποίο σηµαίνει ότι θα χρειάζονται 390.000 tn

βιοαιθανόλης. Αν αυτή η ποσότητα παράγεται από την ίδια τη χώρα, τότε θα υπάρξει εξοικονόµηση συναλλάγµατος έως 170.000.000. 3.0 ιεργασία βιοδιύλισης γλυκού σόργου προς την παραγωγή βιοαιθανόλης Πριν προχωρήσουµε στα ποσοτικά και οικονοµικά στοιχεία, θα γίνει ανάλυση του διαγράµµατος ροής της εγκατάστασης. Γεωργική παραγωγή σόργου Ξήρανση (73%υγρασία) Μεταφορά στην εγκατάσταση ζωοτροφή Σπόροι Κοπή & άλεση στελεχών προς εξαγωγή χυµού Βαγάσση Χυµός Ηλεκτρισµός και θερµότητα Ζύµωση Απόσταξη Αφυδάτωση Ξήρανση Βιοαιθανόλη DDGS ζωοτροφή Σχήµα 1: διάγραµµα παραγωγής εγκατάστασης

3.1 Συλλογή και αποθήκευση Η συγκοµιδή του σόργου περιορίζεται για περίπου 3-4 µήνες (Σεπτέµβριος- εκέµβριος). Επίσης τα ζάκχαρα κατά την αποθήκευση θα αποσυντεθούν γι αυτό πρέπει να αφαιρεθούν από το στέλεχος του σόργου, και να επεξεργαστεί ο χυµός του αµέσως µετά τη συγκοµιδή του. Αυτό σηµαίνει, οι δεξαµενές ζύµωσης και ο εξοπλισµός της απόσταξης και τις αφυδάτωσης της εγκατάστασης θα είναι σε λειτουργία µόνο λίγους µήνες τον χρόνο [17]. Αντίθετα η επεξεργασία της βαγάσσης για την παραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας µπορεί να γίνει κατά όλη τη διάρκεια του έτους [4],[13]. Βέβαια έχει παρατηρηθεί ότι σε πιο ψυχρά κλίµατα τα ζάκχαρα µπορούν να διατηρηθούν για αρκετές βδοµάδες µετά τη συγκοµιδή του σόργου. Η πρώτη ύλη θα µεταφέρεται από τους γεωργούς στα σηµεία διαλογής όπου θα ξηραίνεται και στη συνέχεια θα µεταφέρεται µε φορτηγά στο εργοστάσιο. Για να είναι παραγωγική αυτή η εργασία καλό θα είναι η απόσταση µέχρι το εργοστάσιο να µη ξεπερνά τα 30km [18],[19]. 3.2 Εξαγωγή χυµού Το πρώτο στάδιο της εξαγωγής του προς ζύµωση χυµού είναι η κοπή των στελεχών του σόργου το πλύσιµο και η άλεση τους σε σειρά από µύλους οι οποίοι έχουν αντίθετη φορά ροής ώστε να διηθείται ο χυµός. Έτσι διαχωρίζεται ο χυµός και το υπόλειµµα (βαγάσση) [16]. 3.3 Παραγωγή βιοαιθανόλης Η διαδικασία της ζύµωσης γίνεται µε µια διαδοχική σειρά εισαγωγής ένζυµων στη δεξαµενή ζύµωσης. Η θερµοκρασία παραµένει σταθερή µεταξύ 33 ο C και 35 ο C. η ανάπτυξη της ζύµωσης ελέγχεται µε την παροχή οξυγόνου κατά την εισαγωγή του πρώτου και του δεύτερου ένζυµου. Για την ζύµωση χρειάζεται επίσης άζωτο και φόσφωρος. Η κρεµώδης ζύµη που έχει παραχθεί διαχωρίζεται µέσω φυγοκεντρισης και οδηγείται προς διύλιση και αφυδάτωση. Η διύλιση και η αφυδάτωση επιτυγχάνεται µέσω δύο αποστακτικών στηλών. η πρώτη ονοµάζεται απόσταξης και η δεύτερη ανόρθωσης. Οι δύο στήλες συνδέονται µε ένα «κόσκινο» στο οποίο διαχωρίζεται το σχεδόν αζεοτροπικό µίγµα νερού αιθανόλης σε προς καθαρή αιθανόλη. το υπόλειµµα (DDGS) πωλείται ως ζωοτροφή. Να σηµειωθεί ότι η απαραίτητη ισχύς και θερµότητα για τις διεργασίες της εγκατάστασης παραλαµβάνεται από την xχρησιµοποίηση της βαγασσης ως καύσιµο [4],[20]. 4. Επιλογή τοποθεσίας και µέγεθος εγκατάστασης Η µονάδα θα παράγει 100.000 tn αιθανόλης το χρόνο δηλαδή περίπου το ¼ από την ποσότητα που απαιτείται για να εκπληρωθεί ο στόχος του 5,75%. Γι αυτή την παραγωγή απαιτούνται 210.970 στρέµµατα.

Απαιτούµενη έκταση (στρέµµα) Πίνακας 2: Αποδόσεις για την παραγωγή της εγκατάστασης Παραγωγή Παραγωγή σόργου βιοαιθανόλης (tn) (tn χλωρό) Παραγωγή βιοαιθανόλης (m 3 ) 210.970 1.476.000 100.000 126.582 Η εγκατάσταση θα τοποθετηθεί στη βόρειο Ελλάδα όπου έχουν παρατηρηθεί υψηλότερες αποδόσεις για το σόργο, και επίσης υπάρχουν υπάρχουσες καλλιέργειες που µπορούν να αντικατασταθούν [16]. Οι καλλιέργειες του σίτου, καλαµποκιού,καπνού και σκληρού και µαλακού σίτου στη βόρειο Ελλάδα αντιµετωπίζουν πολύ σηµαντικά προβλήµατα λόγω της αγροτικής πολιτικής της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Έτσι υπάρχει η δυνατότητα να αντικατασταθεί ποσοστό αυτών των καλλιεργειών µε καλλιέργειες γλυκού σόργου, χωρίς ο αγροτικός πληθυσµός να φέρει αντίρρηση. Στην συνέχεια θα δούµε πως η καλλιέργεια γλυκού σόργου αποφέρει ένα σίγουρο και αρκετά σηµαντικό εισόδηµα στον αγρότη. Επίσης η αγρανάπαυση στην Ελλάδα υπολογίζεται ότι είναι στα 12.000.000 στρέµµατα, γεγονός που είναι υπέρ στην καλλιέργεια ενός νέου φυτού όπως το σόργο [10],[8]. Έτσι η µονάδα θα εγκατασταθεί στον νοµό Σερρών. Από τα 211.000 στρέµµατα που απαιτούνται τα 50.000 θα προέρχονται από µη καλλιεργήσιµη γη, τα 130.000 από αντικατάσταση του σκληρού σίτου µε σόργο στους νοµούς Σερρών ράµας και Κιλκίς και τα υπόλοιπα 31.000 µε αντικατάσταση των υπολοίπων γεωργικών προϊόντων στους ίδιους νοµούς. 5. Οικονοµική ανάλυση µονάδας Σαν πρώτη µατιά η δηµιουργία µιας τέτοιας µονάδας φαίνεται θετική για τους λογούς που αναφέρθηκαν παραπάνω, όπως η εξοικονόµηση συναλλάγµατος, η αύξηση του αγροτικού εισοδήµατος, η εκµετάλλευση εγκαταλειµµένων καλλιεργειών κλπ. Όµως είναι οικονοµικά προσοδοφόρο για κάποιον µια τέτοια επένδυση; 5.1 Γεωργικό εισόδηµα Σύµφωνα µε το Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας το κόστος παραγωγής καθώς και η οικονοµική ανάλυση για την καλλιέργεια του γλυκού σόργου φαίνεται στον Πίνακα 3 [19]. Να σηµειωθεί επίσης ότι για κάθε στρέµµα ενεργειακής καλλιέργειας ο παραγωγός εισπράττει κρατική ενίσχυση 4,5/στρ [2]. Το γλυκό σόργο είναι από τις λίγες καλλιέργειες που είναι κερδοφόρα χωρίς κάποια ενίσχυση.

Πίνακας 3: Κόστος παραγωγής και οικονοµική ανάλυση της καλλιέργειας του γλυκού σόργου εδοµένα Γλυκό Σόργο Απόδοση (kg/στρ) 7000 Τιµή πώλησης ( /tn) 20 Μικτά έσοδα ( /στρ) 140 Ενοίκιο εδάφους 28,5 Όργωµα 9 Προετοιµασία εδάφους 10 Λίπασµα 10,8 Σπορά 9,2 Ζιζανοκτόνα 8,1 Άδρευση 30 Συγκοµιδή 17,4 Κόστος παραγωγής ( /στρ) 123 Κέρδος προ ενισχύσεων 17 Βοήθηµα 26 Κέρδος προ φόρων και τόκων ( /στρ) 43 5.2 Οικονοµική ανάλυση εγκατάστασης Από τη βιβλιογραφία δεν είναι ξεκάθαρα τα ακριβή µεγέθη µιας τέτοιας εγκατάστασης καθώς θα είναι η πρώτη στην Ελλάδα, και από χώρα σε χώρα τα µεγέθη διαφέρουν. Από συνδυασµό διαφόρων δεδοµένων προκύπτουν µε επιφύλαξη τα παρακάτω: To κόστος επένδυσης για µία µονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης µεγέθους 100.000tn/έτος ανέρχεται στα 69.000.000 [19]. Επίσης τα λειτουργικά έξοδα της εγκατάστασης λαµβάνοντας υπόψη ότι η εγκατάσταση ενεργειακά καλύπτεται εξ ολοκλήρου από την βαγάσση των στελεχών του σόργου, ανέρχoναι σε 660/tn. Τα έξοδα µεταφοράς και προκατεργασίας ανέρχoναι σε 10/tn Για συντελεστή προεξόφλησης 12% για 15 χρόνια το κόστος επένδυσης ισοδυναµεί 140/tn [19],[18],[21]. Η τιµή πώλησης της βιοαιθανόλης στην Ευρώπη είναι περίπου 760/tn ενώ από την πώληση του DDGS το έσοδο είναι 120/tn βιοαιθανόλης[18],[19],[21]. Άρα τα συνολικά κέρδη πρό φόρων και τόκων της επιχείρησης θα είναι: Κ= 700+120 (660+10 +140)= 30/tn 6. Συµπεράσµατα Πέρα από τους γενικότερους λόγους που είναι η υποχρεωτική εισαγωγή της βιοαιθανόλης στην βενζίνη, τα προβλήµατα που αντιµετωπίζει η γεωργία και χρειάζεται νέες διεξόδους όπως οι ενεργειακές καλλιέργειες, η ανάγκη απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιµα, είδαµε ότι η εγκατάσταση µίας τέτοιας µονάδας στο βάθος του χρόνου µπορεί να αποβεί προσοδοφόρα, χωρίς

κρατική ενίσχυση. Βέβαια µια τέτοια επένδυση ενέχει ρίσκο καθώς θα είναι η πρώτη στην Ελλάδα. Γι αυτό το κράτος πρέπει να προωθήσει ένα τέτοιο σχέδιο είτε µε επιχορηγήσεις είτε µε την αποφορολόγηση της βιοαιθανόλης, µέτρο που έχει υιοθετηθεί και από άλλα κράτη. 7. Βιβλιογραφία [1] Belum VS Reddy, A Ashok Kunar and S Ramesh, Sweet Sorghum :a Water Saving Bio- Energy Crop, India, 2005 [2] Β. Λυχναράς, Ενεργειακές Καλλιέργειες Επισκόπηση Έρευνας & Ανάπτυξης, Ηµερίδα ΙΕΝΕ, Αθήνα 2006 [3] Lu Nan& Jianxue Ma, Research on Sweet Sorghum and its Synthetic Applications, Biomass 1989:129 [4] E Gansounou, A Dauriat, C.E. Wyman, Refining sweet sorghum to ethanol and sugar: economic trade-offs in the context of N. China, Bioresource Technology, 2005:96 [5] Μ. Χρήστου, Ε. Αλεξοπούλου, Β Λυχαναράς, Ε. Νταµατοβ, Ενεργειακές καλλιέργειες στον Ευρωπαϊκό και Ελληνικό χώρο,2006 [6] Ε. Αλεξοπούλου, Συµβολή των ενεργειακών φυτών στην αναδιάρθρωση των καλλιεργειών στην περιφέρεια Α.Π.Θ., Κοµοτηνή, 2005 [7] Α. Θεοδωρακοπούλου, Καλλιέργεια γλυκού σόργου για παραγωγή βιοκαυσίµου,, Λεχαινών, 2007 [8] Κ. Κίττας, Βιοκάυσιµα και ενεργειακές καλλιέργειες, 2 ο Πανελλήνιο Συνέδριο εναλλακτικών καυσίµων και βιοκαυσίµων, Λ. Πλαστήρα, 2007 [9] Κ.Ν. Γιαννοπολίτης, Ενεργειακές καλλιέργειες και Βιοκαύσιµα, Γεωργία και Κτηνοτροφία 1,2006 [10] Α. Cadenas & S. Cabezudo, Biofuels as sustainable technologies: perspectives for less developed countries, IATAFI, 1998 [11] M Belat, H. Belat, C. Oz, Progress in bioethanol processing, Progress in energy and combustion, 2008:34 [12] C.A. Cadrona, O J. Sanchez, Fuel ethanol production: Process design trends and integration opportunities, Biosource Technology, 2007:98 [13] C. Piccolo, F. Bezzo, A technoeconomic comparison between two technologies for bioethanol production from lignocellolose, Biomass & Bioenergy,2007:33 [14] Γ. Παπαρσένος, Ζητήµατα αγοράς των υγρών βιοκαυσίµων στην Ελλάδα, Ηµερίδα ΙΕΝΕ για τα υγρά βιοκαύσιµα, 2006 [15] Σ. Κυρίτσης, Νέες τάσεις για τα βιοκαύσιµα στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή & τα Ευρωπαϊκά κράτη, Ηµερίδα ΙΕΝΕ για τα υγρά βιοκαύσιµα, 2006 [16] I. Boukis, N. Vassilakos, G. Kontopoulos, S. Karellas, Policy plan for the use of biomass and biofuels in Greece Part I: available biomass and methology, Renewable & sustainable energy reviews,2008:13 [17] A Bennett, R.P. Anex, Production transportation and milling costs of sweet sorghum as a feedstock fir centralized bioethanol prodaction in the upper Midwest, Bioresourse Technology, 2009:100 [18] Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών βιοκαυσίµων στην Ελλάδα, ΚΑΠΕ

[19] I. Boukis, N. Vassilakos, G. Kontopoulos, S. Karellas, Policy plan for the use of biomass and biofuels in Greece Part I: Logistics and economic Investigation Renewable & sustainable energy reviews,2008:13 [20] J. Escobar, E.S. Lora, O.J. Venturini, E.E. Yarez, E.F. Castillo, O. Almazan, Biofuels: environment, technology and food security, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2009:13 [21] T. Paffelas, RESIPE: Reform of the European sugar industry based on polygeneration with the use of energy crops, Brussels,2009