ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΊΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ IV, ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΑΚΡΗΣ Β., ΚΕΚΟΣ Δ., ΧΡΙΣΤΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Π.
Καύσιμη στερεά, υγρή ή αέρια ύλη που παράγεται από βιομάζα Υγρό βιοκαύσιμο (οινόπνευμα) υψηλής ενεργειακής περιεκτικότητας, καθαρότερο περιβαλλοντικά από τη βενζίνη
CO ΖΥΜΩΣΗ 2 θερμότητα H2 Κ.Κ. ΗO2 ηλεκτρισμό
Γιατί βιοαιθανόλη; Α. ΠΟΛΙΤΙΚΟ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ 1. Μείωση ενεργειακής εξάρτησης 2. Υπεραξία αγροτικών πρώτων υλών 3. Αύξηση θέσεων εργασίας και αγροτικού εισοδήματος 4. Συγκράτηση αγροτικού πληθυσμού Β. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ 1. Ανανεώσιμη πρώτη ύλη (βιομάζα) 2. Σημαντική ελάττωση ρύπανσης Λιγότερες εκπομπές: CO2, CO, υδρογονανθράκων, κλπ.
ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ Παραγωγή από γεωργικά προϊόντα & υποπροϊόντα Προϊόντα: Υψηλό κόστος σακχαρούχων και αμυλούχων προϊόντων (τεύτλα, καλαμπόκι, κ.ά.) που χρησιμοποιούνται ανταγωνιστικά για την παραγωγή τροφίμων (καύσιμα αντί τρόφιμα) Υποπροϊόντα: Λιγνοκυτταρινούχα κατάλοιπα. Δυσκολίες υδρόλυσης λιγνοκυτταρίνης. Δυσκολίες συλλογής, μεταφοράς και αποθήκευσης τους (ογκώδη) Τεχνολογικά χαρακτηριστικά Μεγαλύτερη τάση ατμών από τη βενζίνη
35 ΔΙΣΕΚΑΤΟΜΥΡΙΑ ΛΙΤΡΑ 30 25 20 15 10 5 0 1999 2000 ΕΤΟΣ C., Berg. 2001. World Ethanol Production 2001 2001
ΔΙΣΕΚΑΤΟΜΥΡΙΑ ΛΙΤΡΑ 30 ΑΛΛΕΣ ΧΩΡΕΣ ΗΠΑ ΒΡΑΖΙΛΙΑ + 860% + 75% 15 + 11% 0 2001 C., Berg. 2001. World Ethanol Production 2001 ΕΤΟΣ 2006
1. ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΙΣ ΗΠΑ ΚΑΙ ΒΡΑΖΙΛΙΑ 2. ΑΠΟΦΑΣΗ ΓΙΑ ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΗ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ (Οδηγία 2003/30/EC, ΜΑΙΟΣ 2003): Μέχρι το 2005: 2.0% (3,25% κατ όγκο) Μέχρι το 2010: 5.75% (9,34% κατ όγκο) 3. ΕΤΟΙΜΑΖΟΝΤΑΙ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΧΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 4. ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΤΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΙΣΠΑΝΙΑΣ
ΣΤΟΧΟΙ Παραγωγή αιθανόλης (276.000 τόνοι ΕΤΒΕ) για λόγους : Περιβαλλοντικούς : Ελάττωση CO2, θείου, ΥδΑ, ρύπανσης εδάφους, κ.ά. Οικονομικούς : Αύξηση γεωργικού εισοδήματος Συγκράτηση αγροτικού πληθυσμού Μείωση ενεργειακής εξάρτησης Επιστροφή πάνω από 90% των απαλλαγών φόρων λόγω αύξησης της τοπικής οικονομικής δραστηριότητας
Πρώτες ύλες Σπορέλαια Σακχαρούχα φυτά Αμυλούχα φυτά Λιγνοκυτ/χα φυτά (τεύτλα, γλυκό σόργο, κ.ά.) (αραβόσιτος σίτος, κ.ά.) (ξύλα άχυρα, κ.ά.) Διεργασία μετατροπής Προκατεργασία Εκχύλιση Υδρόλυση Γλυκόζη Καθαρισμός Τελικό Ενεργειακό προϊόν Εστεροποίηση Καθαρά έλαια http://lasen.epfl.ch/ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ Γλυκόζη ΖΥΜΩΣΗ Αεριοποίηση Καθαρισμός Απόσταξη Αφυδάτωση Καταλυτική σύνθεση ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗ ΕΤΒΕ ΜΤΒΕ
Προκατεργασία + Ένζυμα Ενζυμική υδρόλυση Διήθηση Γλυκόζη Γλυκόζη
Σπόρος Σπόρος (μ.ό.): 1.1 τον / στρέμμα Άμυλο (μ.ό.): 620 Kg / στρέμμα ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ: 440 λίτρα/στρέμμα Υπόλειμμα Υπόλειμμα (μ.ό.): 1.1 τον / στρέμμα ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 300 λίτρα /στρέμμα
Σακχαρότευτλα Απόδοση (μ.ό.): 6.4 τον / στρέμμα Σάκχαρο (μ.ό.): 900 Kg / στρέμμα ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ: 510 λίτρα / στρέμμα Πούλπα,
Νωπά στελέχη Ξηρή βαγάση Απόδοση νωπών στελεχών (μ.ό.): 10 τον /στρέμμα Σάκχαρα (μ.ό.): 12.7% ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ: 10 x 12.7 = 1270 Kg σακχαρόζη 650 λίτρα αιθανόλη / στρέμμα Βαγάση (μ.ό.): 1.2 τον / στρέμμα ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 350 λίτρα / στρέμμα
Χώρες καλλιέργειας και στρεμματική απόδοση νωπής βιομάζας (ΚΑΠΕ 1996) Κατώτερη ΝΩΠΗ ΒΙΟΜΑΖΑ (%, β/β) Υγρασία Σακχαρόζη Γλυκόζη Κυτταρίνη Ημικυτταρίνη 70.9 11.0 1.7 4.8 4.3 Ανώτερη Βέλγιο Κεντρική Ισπανία Γαλλία Βόρεια Ιταλία Πορτογαλία Νότια Ισπανία Νότια Ιταλία Βόρεια Ελλάδα (Θράκη) Νότια Ελλάδα (Πύργος) 0 2 4 6 8 10 12 ΑΠΟΔΟΣΗ (τόνοι / στρέμμα) 14 16
ΑΙΘΑΝΟΛΗ Εμβόλιο: S. cerevisiae Ζυμωτήρας ΣΕΝΑΡΙΟ 1 (λίτρα/100 Kg νωπού σόργου) 7.7 770 λ / στρέμ. Εκχύλισμα Εκχύλιση Εμβόλιο: Ζυμωτήρας Χυμός (52%) Ζυμωτήρας Εκχύμωση Στερεά (48%) Ζυμωτήρας Στελέχη σόργου Τεμαχισμός ΣΥΣΤΑΣΗ Υγρασία Σακχαρόζη Γλυκόζη Κυτταρίνη Ημικυτταρίνη Τεμάχια σόργου (%, β/β) 70.9 11.0 1.7 12. 7 4.8 9.1 4.3 Ζυμωτήρας S. cerevisiae ΣΕΝΑΡΙΟ 2α Εμβόλιο: Μικτή καλλιέργεια F. oxysporum S. cerevisiae ΣΕΝΑΡΙΟ 2β 6.1 10.5 1050 λ / στρέμ. 4.4 Εμβόλιο: F. oxysporum ΣΕΝΑΡΙΟ 3α 8.8 Εμβόλιο: Μικτή καλλιέργεια F. oxysporum S. cerevisiae ΣΕΝΑΡΙΟ 3β 10.3
ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑ ΝΟΜΟΣ Έβρου ΚΑΛΛΙΕΡΓΟΥΜΕΝΗ ΕΚΤΑΣΗ ΠΡΟΣ ΜΕΓΙΣΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΟΤΗΤΑ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΩΝ ΕΚΤΑΣΗ (βαμβάκι + ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ (x 1000 m3 / έτος) καλαμπόκι, 2003) ΜΕ ΣΟΡΓΟ (στρέμματα) (στρέμματα) 360.000 200.000 285.000 308.000 154.000 231.000 Τρικάλων 220.000 213.000 184.000 138.000 273.500 570.000 660.000 760.000 118.500 250.000 154.000 154.000 154.000 77.000 231.000 385.000 385.000 385.000 77.000 231.000 ΑΤΤΙΚΗ Βοιωτίας 215.000 154.000 ΠΕΛΟΠ/ΣΟΣ Ηλείας 185.000 154.000 ΘΡΑΚΗ Ξάνθης Ροδόπης Δράμας Ημαθίας ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ ΘΕΣΣΑΛΙΑ Καβάλας Κιλκίς Πέλλης Σερρών Καρδίτσας Λαρίσης Μαγνησίας 50 100 15 200 250 0
ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑ ΝΟΜΟΣ Έβρου ΚΑΛΛΙΕΡΓΟΥΜΕΝΗ ΕΚΤΑΣΗ ΠΡΟΣ ΜΕΓΙΣΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΟΤΗΤΑ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΩΝ ΕΚΤΑΣΗ (βαμβάκι + ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ (x 1000 m3 / έτος) καλαμπόκι, 2003) ΜΕ ΣΟΡΓΟ (στρέμματα) (στρέμματα) 360.000 200.000 285.000 308.000 154.000 231.000 Τρικάλων 220.000 213.000 184.000 138.000 273.500 570.000 660.000 760.000 118.500 250.000 154.000 154.000 154.000 77.000 231.000 539.000 616.000 693.000 77.000 231.000 ΑΤΤΙΚΗ Βοιωτίας 215.000 154.000 ΠΕΛΟΠ/ΣΟΣ Ηλείας 185.000 154.000 ΘΡΑΚΗ Ξάνθης Ροδόπης Δράμας Ημαθίας ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ ΘΕΣΣΑΛΙΑ Καβάλας Κιλκίς Πέλλης Σερρών Καρδίτσας Λαρίσης Μαγνησίας 50 100 15 200 250 0
ΚΑΘΑΡΟ ΚΟΣΤΟΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ( / λίτρο) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ) γ.) γ. ) ς) ρ βα ρ ος) ο ε ε τ ά τ ι ι ο ό α όσ όσ άλ κασ σα κρ β σ ( ( β ι γ ( α μ ε α Η ΙΑ Α (αρ (αρ ος, ς, μ ΝΔ ΙΛΙ ΑΛ τ ο Α ί Ζ Α Α τ Ρ ί σ Ν Λ Α ( Υ ΣΤ (σ ΗΠ ΚΙ ΒΡ ΕΕ ΤΑ ΑΥ ΕΕ ) μο / χ κ ) μο κχ/
, βιοπροϊόντα, ενέργεια Προϊόντα ξύλου, ενέργεια, τρόφιμα / ζωοτροφές, χημικά προϊόντα
ΑΙΘΑΝΟΛΗ ΦΥΤΕΙΑ ΣΟΡΓΟΥ Ελληνική τεχνολογία ΦΥΛΛΑ Εκχύμωση ΒΑΓΑΣΣΗ ΣΤΕΛΕΧΗ ΖΩΟΤΡΟΦΗ Χυμός ΑΙΘΑΝΟΛΗ + CO2 ΑΝΘΡΑΚΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΜΟΝΩΤΙΚΑ ΣΠΟΡΟΣ ΕΝΕΡΓΟΣ ΣΥΝΘΕΣΗ ΑΝΘΡΑΚΑΣ ΑΕΡΙΟΥ ΑΙΘΑΝΟΛΗ ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΑ CO2 ΑΠΟΣΤΑΞΗΣ (ΖΩΟΤΡΟΦΗ) ΗΛΕΚΤ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΡΙΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΜΕΘΑΝΟΛΗ
ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 1. Έκταση καλλιέργειας σόργου (στρέμματα): 2. (m3): 3. Ξηρή βαγάση για ηλεκτρισμό (τόνοι): 4. Ξηρή βαγάση για βιομονωτικά υλικά (τόνοι): 154.000 100.000 80.000 80.000 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Α. ΚΟΣΤΟΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ 1. Επένδυση (Ερ. βιοαιθανόλης & βιομονωτικών) 80.000.000 2. Επιδότηση (50%) 40.000.000 ΣΥΝΟΛΟ 40.000.000 Β. ΕΤΗΣΙΕΣ ΔΑΠΑΝΕΣ 1. Παραγωγή σόργου + μεταφορά (154.000 στρ. x 260 / στρ.) 40.040.000 2. Εργασία 1.000.000 3. Διάφορα (χημικά βιομονωτικών, κλπ) 15.000.000 4. Κόστος κεφαλαίου (40.000.000 x 0.15) 6.000.000 ΣΥΝΟΛΟ 62.040.000 Γ. ΕΤΗΣΙΑ ΑΚΑΘΑΡΙΣΤΑ ΕΣΟΔΑ 1. (100.000 m3 x 200-500 / m3) 20.000.000-50.000.000 2. Ηλεκτρισμός από 80.000 τον. βαγάση (84.080.000 KWh) 5.044.800 3 3 3. Βιομονωτικές πλάκες (1.000.000 m x 40 /m ) 40.000.000 ΣΥΝΟΛΟ 65.044.800-95.044.800 Δ. ΕΤΗΣΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ 1. Δαπάνες 62.040.000 2. Ακαθάριστα έσοδα 65.044.800-95.044.800 ΚΕΡΔΗ 3.004.800-33.004.800
ΣΤΟΧΟΣ Παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από βιοαιθανόλη γεωργικών προϊόντων (γλυκό σόργο) υψηλής απόδοσης και μηδενικής ρύπανσης στα πλαίσια της αειφόρου ανάπτυξης Αιθανόλη C2H5OH H2O Γεωργικά προϊόντα (γλυκό σόργο) Ζύμωση σε αιθανόλη Κυψέλες καυσίμου
500 ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ( x 103 m3 ) 400 300 200 100 0 2005 2006 2007 ΕΤΟΣ 2008 2009 2010
12 ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ( x 106 m3 ) 10 8 6 4 2 0 2003 2004 2005 2006 2007 ΕΤΟΣ 2008 2009 2010
Καύση Αεριοποίηση Πυρόλυση Εκχύλιση Τουρμπίνες Σύνθεση Ενέργεια Μεθανόλη Έλαια, αέρια, πίσσα Έλαια Βιοντίζελ Ζύμωση Αναερόβια χώνευση Μεθάνιο
1. Χημική σύνθεση. Από προϊόντα πετρελαίου (7% της παγκόσμιας παραγωγής) 2. Θερμοχημική διεργασία. Αεριοποίηση σε υδρογόνο και οξείδια του άνθρακα και μετατροπή σε αιθανόλη με ανόργανους καταλύτες (Δεν παράγεται βιομηχανικώς) 3. Μικροβιακή ζύμωση. Μικροβιακή ζύμωση διαλύματος σακχάρων σε αιθανόλη (93% της παγκόσμιας παραγωγής) Σάκχαρα (γλυκόζη) Ζύμη
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΣΤΑΔΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΑΠΟ ΟΛΙΓΟΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ ΤΟΥ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΣΟΡΓΟ ΝΕΡΟ 20-25 MW (100.000 m3) ΕΚΧΥΛΙΣΜΑ Ή ΧΥΜΟΣ ΣΟΡΓΟΥ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ΖΥΜΩΣΗ S. cerevisiae ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ: ΕΚΧΥΛΙΣΜΑ: 870 ΛΙΤΡΑ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΝΩΠΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΧΥΜΟΣ: 680 ΛΙΤΡΑ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΝΩΠΟΥ ΣΟΡΓΟΥ
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΣΤΑΔΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΧΥΜΟ ΚΑΙ ΒΑΓΑΣΗ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΣΟΡΓΟ ΧΥΜΟΣ ΣΟΡΓΟΥ Εμβόλιο ζύμης ΖΥΜΩΤΗΡΑΣ Εμβόλιο F. oxysporum ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ ΖΥΜΩΣΗ S. cerevisiae ΑΠΟΔΟΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ: 1100 ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΛΙΤΡΑ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΝΩΠΟΥ ΣΟΡΓΟΥ
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΣΤΑΔΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΑΠΟ ΝΩΠΟ ΓΛΥΚΟ ΣΟΡΓΟ ΣΟΡΓΟ Εμβόλιο F. oxysporum ΖΥΜΩΤΗΡΑΣ ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ Εμβόλιο ζύμης ΑΠΟΔΟΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ: 910 ΛΙΤΡΑ / ΣΤΡΕΜΜΑ ΝΩΠΟΥ ΣΟΡΓΟΥ