Χρησιμα αρχεια6

7. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ BIOMAZA

7.1 Η ΒΙΟΜΑΖΑ

7.1.1 Εισαγωγή

Γενικά μετά την ενεργειακή κρίση του 1973, η βιομάζα άρχισε να παίζει όλο και σημαντικότερο ρόλο στην κάλυψη των παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών. Σήμερα θεωρείται ότι είναι μία σπουδαία πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συμβάλει στην ενεργειακή επάρκεια μετά την εξάντληση των αποθεμάτων του αργού πετρελαίου, του ορυκτού άνθρακα και του φυσικού αερίου.

Ο όρος βιομάζα χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει:

α) Τα υλικά ή καλύτερα τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυσικής, ζωικής δασικής και αλιευτικής παραγωγής.

β) Τα υποπροϊόντα τα οποία προέρχονται από τη βιομηχανική επεξεργασία των υλικών αυτών.

γ) Τα αστικά λύματα και σκουπίδια.

δ) Τις φυσικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα π.χ, αυτοφυή φυτά δάση είτε από τεχνητές φυτείες αγροτικού ή δασικού τύπου.

Η βιομάζα είναι ανανεώσιμη αφού αποτελεί αποθήκη ενέργειας της οποίας πηγή είναι ο ήλιος και επίσης κατά την καύση της δεν παράγεται CO2.

Πως μετατρέπουμε την ενέργεια ξηρής βιομάζας σε ισοδύναμο πετρέλαιο:

Η ξηρή βιομάζα (0% υγρασία) έχει ενέργεια 4000 kcal/kg. Το πετρέλαιο έχει ενέργεια 10000 kcal/kg. Συνεπώς ο συντελεστής 0.4 μετατρέπει την ενέργεια ξηρής βιομάζας σε ισοδύναμη ενέργεια πετρελαίου.

Ομάδες βιολογικής ύλης

1. Φυσική 2. Ζωική 3. Μικροβιακή

Ομάδες συστατικών

1. Υδατάνθρακες 2. Πρωτεΐνες 3. Λίπη

Η ενεργειακή αξία των υδατανθράκων και πρωτεϊνών είναι 3500 kcal/kg. Ο ρόλος του λίπους είναι η αποθήκευση ενέργειας (9000 kcal/kg).

Περιγραφή καυσίμου

• Μέτρια θερμογόνος δύναμη. • Συστατικά: C (40%),H (5%),O (50%), S. Στη βιολογική ύλη το S δεν υπάρχει • Τέφρα. Είναι πολύ σημαντική, προέρχεται από χώμα, και η περιεκτικότητά

της είναι 5% και πάνω. • Το 40% του C είναι κυρίως πτητικός.

Σήμερα υπάρχουν αξιόλογες ποσότητες ανεκμετάλλευτων γεωργικών και δασικών υποπροϊόντων που, μαζί με τα οικιακά απορρίμματα και την κτηνοτροφική κοπριά, καθώς και τις ενεργειακές καλλιέργειες επαρκούν για να καλύψουν το σύνολο των θερμικών και ενεργειακών μας αναγκών, εάν βέβαια ήταν δυνατή η αξιοποίηση τους σε όλες τις ενεργειακές απαιτήσεις.

Προφανώς, οι χώρες εκείνες που καταναλώνουν ενέργεια, που προέρχεται από βιομάζα, σε σημαντικές αναλογίες, είναι εκείνες, που βρίσκονται στο στάδιο της ανάπτυξης λόγου χάρη στην Αφρική 65% της ενέργειας προέρχεται από βιομάζα, στην Ινδία το 50% και στη Λατινική Αμερική το 45%. Αντίθετα, στην Ελλάδα η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται περιορισμένα.

Σχήμα 7.1.1 Βιομάζα

Η ενέργεια από τις πηγές βιομάζας παρουσιάζουν από πολλές απόψεις μια πιο πολύπλοκη εικόνα σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αυτό οφείλεται στη μεγάλη ποικιλία αερίων πετροχημικής βιομηχανίας και τεχνολογιών μετατροπής και στη μεγαλύτερη πρόοδος που έχει διαφανεί σε κάποιους τομείς σε σχέση με άλλους. Η βιομάζα επίσης ίσως παράσχει ενέργεια για μια ποικιλία εφαρμογής, συμπεριλαμβανομένων και της οικιακής και βιομηχανικής θέρμανσης, παράγωγα καυσίμων μεταφοράς και ηλεκτρισμού. Αυτή η ποικιλία χρήσεων και τεχνολογιών απεικονίζεται στο Σχήμα 7.1.2. Η επιλογή να δώσουμε τις καίριες εξελίξεις χωρίς να επεκταθούμε σε τμήματα της τεχνολογίες τεράστια, δεν μας επιτρέπει να αποδώσουμε αυτά που πρέπει στις εξελίξεις στη πληθώρα των αερίων βιομάζας ή και να αναλύσουμε τις τεχνολογίες μετατροπής αναλυτικά. Γι’ αυτό το λόγο θα περιοριστούμε σε μια συνολική εξέταση

των εξελίξεων στις αγορές, στις ηγετικές τεχνολογίες μετατροπής και σε μερικά από τα θέματα του μέλλοντος της βιομάζας.

Σχήμα 7.1.2: Πλήθος επιλογών αξιοποίησης και τεχνολογίες βιομάζας.

7.1.2 Ιστορικές τάσεις και αιτίες Η τωρινή χρήση της βιομάζας για ενέργεια υπολογίζεται στο 14% περίπου της παγκόσμιας πρωτογενούς ενέργειας, περισσότερο από την οποία χρησιμοποιείται στις αναπτυσσόμενες χώρες όπου η βιομάζα καλύπτει μέχρι το 1/3 των ενεργειακών αναγκών (Bauen & Kaltschmitt,1999). Αντιθέτως η βιομάζα παρέχει το ανώτερο 3% της ενέργειας στις βιομηχανοποιημένες χώρες. Η τωρινή χρήση της βιομάζας σε σύγκριση με ένα υπολογισμό της πρακτικά αποδεκτής δυναμικής απεικονίζεται στο Σχήμα 7.1.3. Όπως το Σχήμα 7.1.3 απεικονίζει, η ποσότητα της βιομάζας που χρησιμοποιείται σε όλο τον κόσμο είναι πολύ χαμηλότερη από τη δυναμική της στις περισσότερες περιοχές.

Παρόλα αυτά, η χρήση φαίνεται να υπερβαίνει την υποστηρικτική κατανάλωση σε κάποιες περιοχές, κυρίως στην Ασία. Το να επεκτείνουμε τη χρήση της μοντέρνας βιομάζας έχει επομένως 2 κύριες οδούς:

• Στις αναπτυσσόμενες χώρες, οι προσπάθειες χρειάζεται να προσανατολιστούν σε πιο μοντέρνες και μεγαλύτερης διάρκειας χρήσεις βιομάζας.

• Πιο μοντέρνες και μεγαλύτερης διάρκειας χρήσεις βιομάζας μπορούν να ανακουφίσουν τα τοπικά περιβαλλοντικά προβλήματα συμπεριλαμβανομένων και των σοβαρών συνεπειών στην υγεία που έχει η έκθεση σε προϊόντα καύσεως βιομάζας.

• Επιπλέον και σε αναπτυσσόμενες αλλά και σε βιομηχανικές χώρες, η μοντέρνα βιομάζα1 μπορεί να έχει πολυάριθμα περιβαλλοντικά και άλλα οφέλη που εκτίθενται περιληπτικά στην παράγραφο 7.1.3. Παρόλη τη δυναμική υπάρχει ένας αριθμός ζητημάτων που χρειάζεται να ‘’χρεωθεί’’ στην εξέλιξη της βιομάζας σε κύκλους ενεργειακών καυσίμων. Η βιομάζα συχνά θεωρείται ως ένα καύσιμο που είναι άβολο, που απαιτεί εκτεταμένη χρήση γης, που οδηγεί σε υψηλά ενεργειακά κόστη και είναι και ύποπτο όσο αφορά τα περιβαλλοντικά οφέλη. Ενώ αυτά τα ζητήματα έχουν να κάνουν περισσότερο με τις αντιλήψεις (ή παρανοήσεις) της μοντέρνας βιομάζας, οι τεχνολογίες και πρακτικές που αναλύονται παρακάτω μαζί με καλή διαχείριση των πηγών βιομάζας μπορούν να συντελέσουν στο να ανακουφισθούν πολλές ανησυχίες .

Σχήμα 7.1.3: Ποσότητα της βιομάζας που χρησιμοποιείται και η δυναμική της στις

περισσότερες περιοχές του κόσμου

Η μοντέρνα βιομάζα για παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού συνεισφέρει περίπου 4% της πρωτογενούς ενέργειας των ΗΠΑ, 11% στην Αυστρία, 20% στη Φιλανδία,17% στη Σουηδία. Η βιομάζα για τηλεθέρμανση (district heating) και συμπαραγωγή (CHP) είναι επίσης καλά οργανωμένη σε Δανία και Γερμανία (UNPP/wec 2000 Bacen,2001).

1 Μοντέρνα βιομάζα: Η βιομάζα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σε αντίθεση με την «παραδοσιακή» βιομάζα που χρησιμοποιείται για οικιακούς σκοπούς.

Η συνολική παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από εμπορική βιομάζα υπερβαίνει τις 100TWh –η βιομάζα ήδη έχει σημαντικά μεγαλύτερη εμπειρία αγοράς από οποιαδήποτε άλλη ανερχόμενη ανανεώσιμη επιλογή (ΙΕΑ,2000b). Η χρήση της έχει επεκταθεί σημαντικά σε αρκετές χώρες τη τελευταία δεκαετία, κυρίως ως αποτέλεσμα ενός πλαισίου υποστηρικτικής πολιτικής. Η παραγωγή των παράγωγων υγρών καυσίμων βιομάζας για ανάμειξη με συμβατικά καύσιμα οχημάτων είναι καλά οργανωμένη στη Βραζιλία και ΗΠΑ (UNPP/WEC,2000).

7.1.3 Οφέλη των καυσίμων βιομάζας

• Η βιομάζα είναι ευρύτερα διαθέσιμη από τα στερεά ορυκτά καύσιμα και μια ποικιλία απόβλητων (π.χ. δασικά και αγρό-βιομηχανικά απόβλητα) μπορούν να παράσχουν μια σημαντική βραχυπρόθεσμη πηγή βιομάζας που συχνά χρειάζεται διάθεση.

• Η βιομάζα παρέχει μια ανανεώσιμη πηγή καυσίμων που προϋποθέτει όμως μια καλή πρακτική διαχείρισης.

• Υπάρχουν καλές προοπτικές για τη βιομάζα να μετατρέπεται οικονομικά σε μια ποικιλία ενεργειακών φορέων (π.χ. θερμότητα, ηλεκτρισμός, μεθανόλη, αιθανόλη, υδρογόνο) με ένα περιβαλλοντικά βιώσιμο τρόπο.

• Η μετατροπή των αποτελεσμάτων της ανανεώσιμης βιομάζας σε μη-καθαρές CO εκπομπές στην ατμόσφαιρα και οι μοντέρνες αλυσίδες καυσίμων βιομάζας ίσως παρουσιάσουν άλλα περιβαλλοντικά οφέλη σε σύγκριση με τις αλυσίδες ορυκτών καυσίμων.

• Κοινωνικά οφέλη (ιδιαίτερης σημασίας για τις αναπτυσσόμενες χώρες) περιλαμβάνουν:

Μειωμένες εισαγωγές καυσίμων. Διαφοροποίηση στις αγροτικές δραστηριότητες. Ενισχυμένη αγροτική εξέλιξη και απασχόληση. Κίνητρο για ανάκτηση αποδασωμένων και υποβιβασμένων εκτάσεων.

7.2 ΕΠΙΛΟΓΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

7.2.1 Τρόποι αξιοποίησης της βιομάζας

Η βιομάζα είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών χερσαίας ή υδρόβιας προέλευσης.

Τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών .Οι βασικές πρώτες ύλες για αυτό είναι το νερό και το CO2, που αφθονούν στη φύση. Όσον αφορά στην ενέργεια αυτή προέρχεται από το ορατό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας.

Οι θεμελιώδεις αντιδράσεις πραγματοποιούνται στους χλωροπλάστες, οι οποίοι συλλαμβάνουν τα φωτόνια και στη συνέχεια ενεργοποιούν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης που ανάγει το CO2 σε υδατάνθρακες.

Οι αντιδράσεις αυτές συνοδεύονται από έκλυση O2 με παράλληλη μείωση της περιεκτικότητας του κυττάρου σε CO2.

( ) 2222 OOCHOHCO +→+ (7.2.1)

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.

Οι μέθοδοι της ενεργειακής μετατροπής της βιομάζας είναι διάφορες. Διακρίνονται σε θερμοχημικές (ξηρές) ή σε βιοχημικές (υγρές). Η επιλογή της μεθόδου μετατροπής προσδιορίζεται από τους εξής παράγοντες, τη σχέση C/N και την περιεχόμενη υγρασία των υπολειμμάτων, την ώρα της συλλογής.

To 1/6 της γλυκόζης (βιολογική ύλη)

3500 kcal/kg

1. Θερμοχημικές διεργασίες

Οι θερμοχημικές διεργασίες 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

2. Βιοχημικές διεργασίες

Οι βιοχημικές διεργασίες, που ονομάζονται έτσι, επειδή είναι αποτέλεσμα μικροβιακής δράσης, χρησιμοποιούνται για προϊόντα και υπολείμματα, όπως λαχανικών κοπριάς, όπου η σχέση C/Ν<3Ο και υγρασία >5Ο%.

Οι βιοχημικές διεργασίες διακρίνονται στις:

α) Αερόβια ζύμωση

β) Αναερόβια ζύμωση

Σχήμα 7.2.1: Τρόποι κατεργασίας και χρήσεις ειδών βιομάζας

7.2.2 Άμεση καύση 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.

7.2.3 Μέθοδος αεριοποίησης της βιομάζας 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.

7.2.4 Πυρόλυση βιομάζας 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 καύσιμα.

7.2.5 Αναερόβια χώνευση Η αναερόβια χώνευση είναι μια βιολογική διαδικασία κατά την οποία μετατρέπεται στερεή ή υγρή βιομάζα σε αέριο. Το αέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα και περιέχει διάφορους ιχνηθέτες. Η αναερόβια χώνευση χρησιμοποιείται στη διαχείριση απόβλητων βιομηχανικής, αγροτικής και οικιακής προέλευσης. Χρησιμοποιείται επίσης σε εργοστάσια διαχείρισης απόβλητων υπονόμων για να μειώσουν τον όγκο αιωρημάτων και να παράγουν αέριο για θέρμανση και ηλεκτρισμό.

Εγκαταστάσεις τύπου φάρμας (Farm-based facilities) είναι συνηθισμένες, ειδικά σε χώρες όπως η Κίνα και Ινδία σε κλίμακες νοικοκυριών ή χωριών για μαγείρεμα, θέρμανση και φωτισμό. Πάνω από 600 εργοστάσια που διαχειρίζονται απόβλητα αγροκτημάτων και συχνά επεξεργάζονται (αναερόβια χώνευση) απόβλητα ποικίλων πηγών λειτουργούν στη Β. Αμερική και Ευρώπη. Η χρησιμοποίηση της αναερόβιας χώνευσης σε εγκαταστάσεις διαχείρισης υπονόμων, στη διαχείριση οργανικών τμημάτων δημοτικών στέρεων απόβλητων (MSW) και στη διαχείριση των βιομηχανικών οργανικών απόβλητων, αυξάνεται συνεχώς. Τα στέρεα και υγρά υπολείμματα από τη διαδικασία αναερόβιας χώνευσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λίπασμα οργανικής προέλευσης.

7.2.6 Παραγόμενο αέριο καύσιμο σε Χ.Υ.Τ.Α. (Landfill gas) To Landfill αέριο (LFG) είναι ένα προϊόν διαδικασίας αναερόβιας και αερόβιας χώνευσης και γενικά αποτελείται από μεθάνιο σε ποσοστό μέχρι και 50%. Μόνο 30-40% του Landfill αέριου συλλέγεται σε κανονικές συνθήκες με τα υπολείμματα του αέριου να διαρρέουν στην ατμόσφαιρα. Το αέριο που συλλέγεται μπορεί να καθαριστεί και να καεί αποκλειστικά σε μηχανές ή με συνδυασμό με στροβίλους για να παραχθεί θερμότητα ή ηλεκτρισμό.

7.2.7 Εστεροποίηση φυτικών ελαίων /Φυσικο-χημική μετατροπή Ο τρόπος της φυσικο-χημικής μετατροπής εφαρμόζεται στη βιομάζα από την οποία φυτικά έλαια μπορούν να αποκτηθούν το οποίο επιτυγχάνεται με άσκηση πίεσης και εξαγωγή ελαίων από τη βιομάζα. Τα φυτικά έλαια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ειδικές μηχανές ή μηχανές πετρελαίου μετά από ένα στάδιο εστεροποίησης για τη παραγωγή ελαίου / μεθυλεστέρα. Το βιοκαύσιμο από κράμβη (oilseed rape) παράγεται σε αρκετές ευρωπαϊκές χώρες με μεγαλύτερη παραγωγή εκείνη της Γερμανίας.

7.2.8 Ζύμωση και υδρόλυση Η παραγωγή αιθανόλης από τη βιομάζα παρέχει ένα υψηλής ποιότητας καύσιμο για τον τομέα των μεταφορών. Η διαδικασία της παραγωγής βιοαιθανόλης εξαρτάται από το τύπο θεώρησης της βιομάζας. Τα σάκχαρα μπορούν να ζυμωθούν με διάφορους οργανισμούς. Η αμυλώδης και κυτταρική βιομάζα χρειάζεται πρώτα να διασπαστεί από όξινη ή ενζυματική υδρόλυση. Πρόοδος σημειώνεται στην ανάπτυξη των τεχνολογιών που στοχεύουν στην επαρκώς μετατρεπόμενη κυτταρινική βιομάζα. Η επανάσταση σε αυτό το τομέα θα πρόσφερε μεγαλύτερες ευκαιρίες για αιθανόλη εξαιτίας της αυξημένης απόδοσης μετατροπής και ελαστικότητας αποθήκευσής της.

7.3 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (CHP)

7.3.1 Εισαγωγή Αξιοσημείωτη επέκταση της παραγωγής ηλεκτρισμού από βιομάζας (κυρίως με χρησιμοποίηση μονάδων συμπαραγωγής (CHP) σχεδιάζεται σε Δανία, Φιλανδία, Σουηδία και ΗΠΑ (UNDP/WEC,2000) και επέκταση οραματίζονται και σε αρκετές άλλες χώρες OECD, συμπεριλαμβανόμενης της Μεγάλης Βρετανίας. Οι μειώσεις του κόστους και η συνεχιζόμενη ανάπτυξη της παραγωγής ηλεκτρισμού από βιομάζα σχετίζεται στενά με τις τεχνολογικές εξελίξεις που θα προκύψουν τόσο στο τομέα της καλλιέργειας αλλά και στον τομέα της τεχνολογίας της καύσης. Οι συμβατικές τεχνολογίες καύσης για καύσιμα βιομάζας συνδέονται στενά με τις τεχνολογίες καύσης άνθρακα και σαν τέτοια η τεχνολογία μπορεί να θεωρηθεί «ώριμη». Υποδειγματικά εργοστάσια καύσης για παραγωγή ηλεκτρισμού βιομάζας που λειτουργούν με αγροτικά και δασικά απόβλητα αποδίδουν ηλεκτρική ενέργεια με περίπου 5 με 6 cents/KWh (UNDP/WEC,2000). Το ποσοστό μάθησης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα (χρησιμοποιώντας συμβατική καύση) έχει υπολογιστεί σε περίπου 15% (ΙΕΑ,2000a). Παρόλο που ένα ποσοστό μάθήσης για τη παραγωγή ηλεκτρισμού από αξιοποίηση της βιομάζας χρησιμοποιώντας συμβατική καύση είναι διαθέσιμο, λεπτομερείς προβολές μείωσης κόστους οι οποίες βασίζονται σε αυτό το ποσοστό μάθησης, και αναφέρονται αποκλειστικά για τεχνολογίες συμβατικών καύσεων, κρίνουν ότι δεν είναι κατάλληλο. Οι αιτίες για αυτό είναι οι ακόλουθες:

• Η ανάπτυξη μεγαλύτερων και αποδοτικότερων εργοστασίων αντικατάστασης δικαιολογεί μερικό από το 15% του ποσοστού μάθησης που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια. Ενώ αυτή είναι μια σημαντική πλευρά της μάθησης και η τάση προς μεγαλύτερα εργοστάσια ίσως συνεχίσει, τα μοντέρνα εργοστάσια συμβατικής καύσης πλησιάζουν ήδη τα θεωρητικά όρια της επάρκειας μετατροπής.

• Η δυναμική για συνεχιζόμενη αύξηση του βαθμού απόδοσης είναι μια καίρια αιτία του ενδιαφέροντος για τις τεχνολογίες αεριοποίησης και θα φαινόταν μη συνετό σε αυτό το στάδιο να συμπεράνουμε ότι το ιστορικό ποσοστό μάθησης για τις τεχνολογίες συμβατικής καύσης μπορεί να εφαρμοστεί στις τεχνολογίες εξαέρωσης-για λόγους που αναλύονται παρακάτω.

• Ενώ σημαντική εξάπλωση της παραγωγής ηλεκτρισμού από βιομάζα (κυρίως CHP) προγραμματίζεται σε Δανία, Φιλανδία, Σουηδία και ΗΠΑ (UNDP/WEC,2000)

δεδομένα για λεπτομερή ανάπτυξη αγοράς συγκεκριμένων τεχνολογιών δεν είναι διαθέσιμα.

• Τα κόστη των καύσιμων βιομάζας αναμένεται να συνεχίσουν να μειώνονται. Παρόλα αυτά η δυναμική για αυτό είναι αβέβαιη και η μείωση κόστους καυσίμων από μόνη της είναι απίθανο να είναι επαρκής να διατηρήσει ένα 15% ποσοστό μάθησης. Όλοι αυτοί οι παράγοντες υποδηλώνουν ότι η δυναμική για συνολική μείωση κόστους στη τεχνολογία της καύσης βιομάζας, στην εξέλιξη του χρόνου ενδιαφέροντος, εδώ δεν μπορεί να υπολογιστεί χωρίς προσοχή στις προχωρημένες τεχνολογίες μετατροπής και στα κόστη καυσίμων.

7.3.2 Συνδυασμένος κύκλος βιομάζας με αεριοποίηση Η αεριοποίηση του στερεού καυσίμου (βιομάζα) προσφέρει τη δυνατότητα υψηλότερης απόδοσης μετατροπής της ενέργειας και μείωσης των ατμοσφαιρικών εκπομπών εν συγκρίσει με τις τεχνολογίες συμβατικής καύσης όπως επίσης και μια μειωμένη εξάρτηση σε οικονομίες κλίμακας. Η αεριοποίηση της βιομάζας και η καύση της σε σταθμούς συνδυασμένου κύκλου (BICTCC) προσφέρει υψηλές αποδόσεις για ένα σχετικά μικρό ως προς το μέγεθος της ισχύος σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (30~50 MW), η οποία την καθιστά κατάλληλη για αποκεντρωμένη παραγωγή -ιδιαίτερου ενδιαφέροντος εξαιτίας της διανεμημένης φύσης της σοδειάς βιομάζας και των σχετικά υψηλών κοστών του να μεταφερθεί το καύσιμο βιομάζα. Πιο μακροπρόθεσμα είναι δυνατό, η BICTCC θα δώσει τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της αεριοποιημένης βιομάζας για χρήση στις κυψέλες καυσίμου. BICTCC είναι προς το παρόν σε ένα προ-εμπορικό πειραματικό στάδιο. Πιλοτικά προγράμματα λειτουργούν και αναπτύσσονται σε Βρετανία, Σουηδία, ΗΠΑ και Βραζιλία (UNDP/WEC,2000). Με ένα τόσο μικρό αριθμό προγραμμάτων σε λειτουργία, το ποσοστό μάθησης δεν είναι διαθέσιμο. Παρόλα αυτά, λεπτομερείς μηχανικές αξιολογήσεις κόστους των Σουηδικών και Βρετανικών εργοστασίων έχουν επιχειρηθεί (Baken, 2000). Το Σουηδικό εργοστάσιο (CHP σχεδίου) αποδίδει ενέργεια με κόστος περίπου 7 cents/kWh και το Βρετανικό εργοστάσιο (ηλεκτρισμό μόνο) περίπου 11.5 cents/kWh. Η μηχανική αξιολόγηση υποδηλώνει ότι τα κόστη κεφαλαίου θα μπορούσαν να μειωθούν στο μισό μέσω αντιγραφής μονάδων και οικονομιών κλίμακας από τη στιγμή που BICTCC εργοστάσια εισβάλουν σε πρώιμες εμπορικές εφαρμογές (Bauen,2000) αυτό θα μπορούσε να μειώσει τα κόστη ενέργειας σε 2.3 με 4.5 και 5.2 με 9 cents/kWh για το Σουηδικό και Βρετανικό εργοστάσιο αντίστοιχα.

Πρέπει να σημειωθεί αυτά τα κόστη είναι υπολογισμοί των πρώτων «εμπορικών» εφαρμογών-αυτό ισχύει όπου οι τεχνολογίες έχουν κινηθεί πέρα από ενός πειραματικού σχεδίου εργοστάσια και αρχίζουν να εγκαθίστανται σε μεγαλύτερους αριθμούς. Περαιτέρω μείωση κόστους θα αναμενόταν καθώς το μέγεθος της αγοράς επεκτείνεται.

Παρόλα αυτά, είναι αξιοσημείωτο ότι η διαδικασία αεριοποίησης δικαιολογεί μόνο το 19% του συνολικού κόστους κεφαλαίου, ενώ τα κόστη τεχνολογίας της καύσεως δικαιολογούν περίπου 35% (Bauen,2000). Δεν είναι ξεκάθαρο πόσο πολύ περιθώριο για μειώσεις κόστους σε στροβίλους-μια πολύ ώριμη τεχνολογία-μπορεί να αναμένεται. Τα ποσοστά μάθησης για CCGT τεχνολογίες είναι λιγότερο από 10% (ΙΕΑ,2000b) και οι στρόβιλοι για BIGCC εφαρμογή θα αντιπροσώπευαν μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα της υπάρχουσας παγκόσμιας αγοράς στροβίλων. Συνολικά, ενώ είναι ξεκάθαρο ότι σημαντική μείωση κόστους για BICTCC πρέπει να αναμένεται από τη στιγμή που η τεχνολογία προοδεύει πέρα από το πρώιμο πιλοτικό στάδιο, η μακροπρόθεσμη τροχιά μείωσης κόστους είναι αβέβαιη. Από τη στιγμή που τα κόστη κεφαλαίου μειωθούν σε πρώιμα «εμπορευματοποιημένα» επίπεδα, η ευαισθησία της μείωσης του κόστους καυσίμων και του κόστους κεφαλαίου περίπου εξισώνεται-τα ενεργειακά κόστη μειώνονται κατά 10% για κάθε 20% μείωση σε κόστη καυσίμων ή κόστη κεφαλαίου. Εάν τα κόστη κεφαλαίου μειωθούν περισσότερο τότε η ευαισθησία για τα κόστη καυσίμων θα αυξηθεί. Σημαντική αβεβαιότητα περιβάλλει τη δυναμική για χαμηλότερα κόστη καυσίμων-ειδικά σε αποκλειστικά ενεργειακές σοδειές. Αγροτικά και δασικά απόβλητα προσφέρουν μια χαμηλού κόστους επιλογή καυσίμων (Bauen & Kaltschmitt,2001)-αλλά αυτό είναι περιορισμένο σε εκείνες τις χώρες με επαρκή δασοκομία και /ή κατάλληλη αγροτική δραστηριότητα. Στη Βρετανία για παράδειγμα αυτή η πηγή είναι σχετικά μικρή (DTI,1998). Υπάρχουν κάποια στοιχεία ότι η δομή και γνώση για ανάπτυξη και προώθηση αποκλειστικά ενεργειακών σοδειών απέχει πολύ από την ωριμότητα προς το παρόν. Μέτρα για την ενίσχυση της εμπιστοσύνης απαιτούνται για να προσελκυσθούν καλλιεργητές και παραγωγούς μαζί σε μια αποτελεσματική αγορά (PIU,2001b) . Η ομάδα PIU διερεύνησε αυτά τα ζητήματα χρησιμοποιώντας αρκετά σενάρια για ανάπτυξη αγοράς και μάθησης και σε κόστη κεφαλαίου αλλά και καυσίμων. Η ανάλυση υποδηλώνει ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα με χρησιμοποίηση συστημάτων BIGTCC θα μπορούσε να αποδώσει ενέργεια σε πεδίο κόστους 2.5-4.0p (3.75-6.0 cents/KWh) μέσα σε ένα χρονικό πλαίσιο 20 ετών (PIU,2002).

7.4 Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ

Επειδή η αξιοποίηση της βιομάζας αντιμετωπίζει συνήθως τα μειονεκτήματα της μεγάλης διασποράς, του μεγάλου όγκου και των δυσχερειών συλλογής μεταποίησης, μεταφοράς, αποθήκευσης, επιβάλλεται κατά κανόνα η αξιοποίησή της να γίνεται κοντά στον τόπο παραγωγής. Έτσι, η βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευχερέστατα π,χ, 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.

Οι δύο τελευταίες χρήσεις 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, στη χώρα μας.

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 7.500.000 τόνους ή περίπου σε 3.000.000 ΤΙΠ, ενώ τα δασικά μπορεί να ανέλθουν σε 2.700.000 τόνους ή περίπου σε 1.000.000 ΤΙΠ.

Παράλληλα με την αξιοποίηση των διαφόρων γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων είναι δυνατό να ληφθεί βιομάζα από ενεργειακές καλλιέργειες, Συγκριτικά με τα γεωργικά και δασικά υπολείμματα, οι καλλιέργειες αυτές έχουν το πλεονέκτημα της υψηλότερης παραγωγής ανά μονάδα επιφάνειας, καθώς και της ευκολότερης συλλογής.

Στο σημείο αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι οι ενεργειακές καλλιέργειες αποκτούν σήμερα ιδιαίτερη σημασία για αναπτυγμένες χώρες, οι οποίες προσπαθούν να περιορίσουν τόσο τα οικολογικά προβλήματα, όσο και τα προβλήματα επάρκειας ενέργειας και γεωργικών πλεονασμάτων με τις καλλιέργειες αυτές. Όπως είναι γνωστό, 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 100-150 εκ, στρέμματα γεωργικής γης 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.

Στη χώρα μας επίσης, 10 εκ. στρέμματα καλλιεργήσιμης γης έχουν ήδη ή προβλέπεται να περιθωριοποιηθούν και να εγκαταλειφθούν. Εάν η έκταση αυτή

αποδοθεί στην ανάπτυξη ενεργειακών καλλιεργειών η καθαρή ωφέλεια σε ενέργεια που μπορεί να αναμένεται, υπολογίζεται σε 5-6 ΜΤΙΠ, δηλαδή στο 5Ο-6Ο% της ετήσιας κατανάλωσης πετρελαίου.

Πίνακας 7.4.1: Εγκατεστημένη ισχύς μονάδων παραγωγής από βιοαέριο (Πηγή Ρ.Α.Ε. 2000)

ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ ΙΔΙΟΚΤΗΤΗΣ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ

ΙΣΧΥΣ (kW)

ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ Ο.Τ.Α.

ΗΡΑΚΛΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ

ΔΕΥΑ ΗΡΑΚΛΕΙΟΥ

ΧΑΝΙΑ ΚΡΗΤΗΣ ΔΕΥΑ ΧΑΝΙΩΝ 166

ΨΥΤΑΛΛΕΙΑ ΑΤΤΙΚΗΣ

ΕΥΔΑΠ 7400

ΣΥΝΟΛΟ 8000

7.5 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ

Τα κυριότερα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα από τη χρησιμοποίηση της βιομάζας είναι τα ακόλουθα:

• Αποφυγή του φαινομένου του θερμοκηπίου, που προέρχεται από το CO2, που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων.

• Αποφυγή της όξινης βροχής, από τη ρύπανση με SO2 που παράγεται κατά την καύση ορυκτών καυσίμων.

• Μείωση της ενεργειακής εξάρτησης από την εισαγωγή καυσίμων από τρίτες χώρες

• Εξοικονόμηση συναλλάγματος. • Εξασφάλιση εργασίας και συγκράτηση των αγροτικών πληθυσμών στις

περιθωριακές και τις άλλες γεωργικές περιοχές.

Τα μειονεκτήματα από τη χρησιμοποίηση της βιομάζας είναι τα εξής:

• Μεγάλος όγκος και μεγάλη περιεκτικότητα υγρασίας ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας.

• Δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευση, έναντι των ορυκτών καυσίμων.

• Δαπανηρότερες εγκαταστάσεις και εξοπλισμός αξιοποίησης της βιομάζας. • Η μεγάλη διασπορά της και η εποχιακή παραγωγή της.

Εξαιτίας των παραπάνω μειονεκτημάτων πολλές φορές το κόστος της βιομάζας παραμένει, συγκριτικά με το πετρέλαιο υψηλό. Το πρόβλημα αυτό πάντως μειώνεται βαθμιαία, λόγω της ανόδου των τιμών του πετρελαίου και των περιβαλλοντικών προβλημάτων που προκαλούνται από την καύση του.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Bauen A. “PIU briefing note on biomass energy. Commissioned input to the

PIU energy review.” London: UK Cabinet Office; 2001. [2] Bauen A, Kaltschmitt M. “Current use and potential of solid biomass in

developing countries and their implications for CO2 emissions.” Proceedings of 1st World Biomass Conference. London: James & James; 2001.

[3] Peter Quaak, Harrie Knoef, Hubert Stassen “Energy from Biomass: A Review of Combustion and Gasification Technologies (World Bank Technical Paper, 422. Energy Series)”, World Bank Publications (March 1, 1999).

[4] United Nations Development Programme, “Bioenergy Primer: Modernised Biomass Energy for Sustainable Development”, United Nations Pubns (February 9, 2001).

[5] Harry Rothman Francisco Rosillo Callbe , Sergio V. Bajay “Industrial Uses of Biomass Energy”, Taylor and Francis, (March 2000).

[6] Bauen A. Sustainable heat and electricity supply from gasification-based biomass fuel cycles: the case of Sweden and the UK. In: Sayigh AAM, editor. Proceedings of World Renewable Energy Congress VI (WREC 2000). Elsevier; 2000.

ΒΙΟΜΑΖΑ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

∆ΙΑΣ Α.ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΠΟΥΛΟΣ

ΤΜΗΜΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ - ΒΙΟΜΑΖΑ

Σηµειώσεις Βιοµάζα [5].doc 2:16

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ

1. Βιοµάζα ......................................................................................................................... 3 2. Αγροτικές φυτείες.......................................................................................................... 5 3. Αγροτικά Υπολείµµατα ................................................................................................. 5 4. Ζωικά Απόβλητα ........................................................................................................... 6 5. Μαύρο ρευστό (black liquor) ........................................................................................ 6 6. Απόβλητα της βιοµηχανίας ζαχάρεως ........................................................................... 6 7. ∆ασικές Φυτείες ............................................................................................................ 6 8. ∆ασικά Υπολείµµατα .................................................................................................... 7 9. Βιοµηχανικά Απόβλητα................................................................................................. 7 10. Αστικά Στερεά Απόβλητα ........................................................................................... 7 11. Υγρά Απόβλητα........................................................................................................... 8 12. Τεχνολογίες Μετατροπής της Βιοµάζας...................................................................... 8

! Αναεροβική Χώνευση ......................................................................8 ! Παραγωγή Μπρικεττών και Σφαιριδίων ..........................................9 ! Άµεση Καύση και Συµπαραγωγή.....................................................9 ! Πυρόλυση .......................................................................................11 ! Αεριοποίηση ...................................................................................11 ! Παραγωγή Ξυλοκάρβουνου ...........................................................12 ! Παράλληλη Καύση.........................................................................12 ! Παραγωγή Αιθανόλης ....................................................................12

13. Εφαρµογές Βιοµάζας................................................................................................. 13 ! Βιοκαύσιµα.....................................................................................13 ! Παραγωγή ηλεκτρισµού .................................................................14 ! Θερµότητα και Ατµός ....................................................................14 ! Καύσιµο Αέριο ...............................................................................14

14. Πλεονεκτήµατα της Βιοµάζας ................................................................................... 14 15. Χρήση της Βιοµάζας ................................................................................................. 15 16. Το µέλλον της βιοµάζας ............................................................................................ 16

1. Βιοµάζα

Με τον όρο βιοµάζα εννοείται κάθε πρόσφατη οργανική ύλη η οποία έχει προέλθει από

φυτά ως αποτέλεσµα της φωτοσυνθετικής διεργασίας. Η ενέργεια της βιοµάζας

προέρχεται από φυτικό ή ζωικό υλικό, όπως π.χ. ξύλα από δάση, υπολείµµατα από

αγροτικές και δασικές καλλιέργειες, καθώς και βιοµηχανικά, αστικά και ζωικά απόβλητα.

Η ενεργειακή αξία της βιοµάζας από φυτική ύλη προέρχεται αρχικά από την ηλιακή

ενέργεια η οποία δεσµεύεται µέσω της φωτοσύνθεσης.

Η χηµική ενέργεια που έχει αποθηκευτεί σε φυτά και ζώα (που τρέφονται µε φυτά ή

άλλα ζώα), ή στα απόβλητα που παράγουν, ονοµάζεται βιοενέργεια. Κατά την διάρκεια

ενεργειακών µετατροπών όπως η καύση, η βιοµάζα απελευθερώνει την ενέργεια της,

συχνά µε την µορφή της θερµότητας, και ο άνθρακας οξειδώνεται προς διοξείδιο του

άνθρακα αντικαθιστώντας ουσιαστικά εκείνον που είχε απορροφηθεί κατά την ανάπτυξη

του φυτού. Στην πραγµατικότητα η χρήση της βιοµάζας γιά παραγωγή ενέργειας είναι η

αντίστροφη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Σχήµα 1. Σύλληψη φωτονίου στο κέντρο της φωτοσυνθετικής αντίδρασης.

Μεταφορά ηλεκτρονίων συµβαίνει σε κάθε αντίδραση redox. Η ηλιακή ενέργεια

δεσµεύεται στα πράσινα φυτά και σε ειδικά βακτήρια µέσω µιάς αντίδρασης µεταφοράς

ηλεκτρονίων στο εσωτερικό του κέντρου της φωτοσυνθετικής αντίδρασης πρωτεϊνών.

Η ενέργεια από τα ηλιακά φωτόνια χρησιµοποιείται γιά την διεργασία αποχώρισης

φορτίου η οποία παράγει ένα ηλεκτρικό δυναµικό εγκάρσια της κυτταρικής µεµβράνης.

Στην φύση η απόδοση του κέντρου αντίδρασης φθάνει στα 95%. Το κλειδί γιά ένα τόσο

υψηλό βαθµό κβαντικής απόδοσης φαίνεται να συνδέεται µε την απόδοση του ρυθµού

µεταφοράς των ηλεκτρονίων. (Μερικοί ερευνητές υποθέτουν την ύπαρξη ενός

µηχανισµού «σήραγγας» γιά τα ηλεκτρόνια, από τον δότη προς τον δέκτη, γιά αυτή την

διεργασία).

Εξίσωση 1. Η χηµική αντίδραση της φωτοσύνθεσης.

Στην φύση η βιοµάζα αποσυντίθεται τελικά στα στοιχειώδη µόρια της µε την

απελευθέρωση θερµότητας. Συνεπώς η έκλυση ενέργειας από την µετατροπή της

βιοµάζας σε χρήσιµη ενέργεια προσοµοιώνει τις φυσικές διεργασίες σε έναν ταχύτερο

ρυθµό. Με την χρήση αυτής της ενέργειας ανακυκλώνεται ο άνθρακας και δεν έχουµε

προσθήκη διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα, σε αντίθεση µε αυτό που

συµβαίνει µε τα άλλα ορυκτά καύσιµα. Από όλες τις υπόλοιπες ανανεώσιµες πηγές

ενέργειας, η βιοµάζα είναι η µοναδική που ουσιαστικά αντιπροσωπεύει αποθηκευµένη

ηλιακή ενέργεια. Επιπροσθέτως είναι η µόνη που συγκροτείται από άνθρακα, και είναι

σε θέση να παράγει, µετά από επεξεργασία, στερεά, υγρά και αέρια καύσιµα.

Η βιοµάζα µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε άµεσα µε καύση ξύλων γιά θέρµανση και

µαγείρεµα, είτε έµµεσα µε µετατροπή σε κάποιο άλλο υγρό ή αέριο καύσιµο, όπως π.χ.

εθανόλη από ζαχαροκάλαµο ή βιοαέριο από ζωικά απόβλητα. Το καθαρό ενεργειακό

προϊόν που είναι διαθέσιµο στην βιοµάζα όταν καίγεται ποικίλλει από περίπου 8 MJ/kg

γιά ξύλο, µέχρι 20 MJ/kg γιά ξηρή φυτική ύλη, µέχρι 55 MJ/kg γιά το µεθάνιο (το

κάρβουνο ποικίλλει 23-30MJ/kg). Ο συντελεστής απόδοσης της ενεργειακής διεργασίας

καθορίζει πόση ενέργεια θα είναι πρακτικά διαθέσιµη.

Πηγές Βιοµάζας

Οι πιθανές πηγές βιοµάζας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν γιά ενεργειακή µετατροπή

καλύπτουν ένα ευρύ φάσµα υλικών. Η χρήση της βιοµάζας µπορεί να διαχωριστεί σε

δύο κατηγορίες:

• σύγχρονη βιοµάζα,

• παραδοσιακή βιοµάζα.

Η σύγχρονη βιοµάζα αναφέρεται σε µεγάλης κλίµακας χρήση και στόχο έχει να

υποκαταστήσει τα παραδοσιακά καύσιµα. Περιλαµβάνει δασική ξυλεία και αγροτικά

υπολείµµατα, αστικά απόβλητα, και ενεργειακές φυτείες. Η παραδοσιακή βιοµάζα

περιορίζεται σε µικρής κλίµακας χρήσεις και σε αναπτυσσόµενες περιοχές και κράτη.

Περιλαµβάνει ξυλεία και ξυλοκάρβουνα γιά οικιακή χρήση, υπολείµµατα κλαδεµάτων,

καθώς και απόβλητα ζώων.

2. Αγροτικές φυτείες

Υπάρχουν πολλά αγροτικές καλλιέργειες που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως

ενεργειακοί πόροι, όπως το ζαχαροκάλαµο, το καλαµπόκι, ο ηλίανθος, η σόγια κλπ. Η

πλειονότητα αυτών καλλιεργούνται ως υγρά καύσιµα, δηλαδή παράγουν τελικά

εθανόλη ή βιοπετρέλαιο. Το πλέον γνωστό είναι το ζαχαροκάλαµο και το καλαµπόκι.

Τυπικό παράδειγµα είναι η Βραζιλία όπου 4 εκατοµµύρια αυτοκίνητα χρησιµοποιούν

εθανόλη γιά την κίνηση τους. Μεγάλης κλίµακας χρήση αυτών των καλλιεργειών

γίνεται και στην Ευρώπη, ΗΠΑ, Αυστραλία, όπου η παραγωγή υγρών βιοκαυσίµων

ενισχύεται οικονοµικά.

Υπάρχουν επίσης καρποί (σπόροι, κουκούτσια κλπ.), που περιέχουν ένα µεγάλο

ποσοστό ελαίου και µε την σύνθλιψη µπορεί αυτό να εξαχθεί άµεσα και να

χρησιµοποιηθεί ως βιοκαύσιµο ή ως θερµαντικό καύσιµο. Τέτοιοι καρποί είναι ο

ελαιόκαρπος, ο ηλιόσπορος, κλπ. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται το ενεργειακό

περιεχόµενο µερικών εξ αυτών.

Πίνακας 1. Το ενεργειακό περιεχόµενο µερικών ενεργειακών καρπών.

Oil Crop Ενεργειακό περιεχόµενο

Canola 40.4 GJ/t

Safflower 39.7 GJ/t

Sunflower 39.7 GJ/t

Diesel 38.5 GJ/t

Η χρήση του βιοκαυσίµου έχει µιά σειρά από πλεονεκτήµατα, όπως η µείωση των

αερίων του φαινοµένου του θερµοκηπίου (περίπου 3.2 kg ισοδυνάµου διοξειδίου του

άνθρακα ανά κιλό βιοκαυσίµου), η κατά 99 % µείωση των εκποµπών διοξειδίου του

θείου, η κατά 39% µείωση των αιωρουµένων σωµατιδίων, η υψηλή τους

βιοαποδοµησιµότητα, και η ασφάλεια της ενεργειακής προσφοράς, καθώς υπάρχει

τοπική παραγωγή, (Korbitz 1998).

3. Αγροτικά Υπολείµµατα

Ετησίως παράγονται µεγάλες ποσότητες υπολειµµάτων από σπαρτά και καλλιέργειες οι

οποίες γίνονται αντικείµενο πολύ µικρής εκµετάλλευσης. Τέτοιου είδους υπολείµµατα

είναι ο φλοιός από το ρύζι, το οποίο αποτελείται από το 25 % του ρυζιού κατά µάζα.

Άλλα υπολείµµατα είναι τα ζαχαροκάλαµα (γνωστό ως bagasse), φλοιοί καρύδων,

ξηρών καρπών, και δηµητριακών. Στην Ελλάδα τέτοιο υπόλειµµα είναι το πυρηνόξυλο

το οποίο παράγεται στις µεγάλες ελαιοπαραγωγούς περιοχές (Λέσβος, Πελοπόννησος,

κλπ.). Μιά σειρά από µελέτες έχουν όµως δείξει ότι είναι συµφερότερο να χρησιµοποιη-

θούν γιά παραγωγή ενέργειας µε µικρό κόστος. Η µετατροπή µπορεί να οδηγήσει στην

παραγωγή θερµότητας ή/και ηλεκτρισµού.

4. Ζωικά Απόβλητα

Υπάρχει µιά ευρεία γκάµα ζωικών αποβλήτων τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν

ως πηγές βιοµάζας. Οι πλέον συνήθεις είναι κοπριά από γουρούνια, κοτόπουλα και

βοοειδή, καθώς αυτά τα ζώα µεγαλώνουν σε περιορισµένους χώρους και παράγουν

µεγάλες ποσότητες αποβλήτων µέσα σε µικρή επιφάνεια. Στο παρελθόν γινόταν

ανάκτηση αυτών των αποβλήτων και επωλούντο ως λιπάσµατα, ή απλώς απλώνονταν

σε καλλιεργήσιµες εκτάσεις. Η εισαγωγή όµως αυστηρότερων περιβαλλοντικών

ελέγχων, όσον αφορά τις οσµές και την ρύπανση των νερών, σηµαίνει ότι θα πρέπει

πλέον να γίνεται κάποιας µορφής διαχείριση αυτών των αποβλήτων, το οποίο ανοίγει

τον δρόµο γιά πιθανή εκµετάλλευση της παραγωγής ενέργειας από απόβλητα.

Η συνηθισµένη διαδικασία µετατροπής αυτών των αποβλήτων είναι µέσω της

αναεροβικής χώνευσης που θα περιγραφεί στα επόµενα κεφάλαια. Το προϊόν από την

αναεροβική χώνευση είναι ένα «βιοαέριο» που µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως καύσιµο

γιά µηχανές εσωτερικής καύσης και παραγωγή ηλεκτρισµού, ή γιά άµεση καύση γιά

µαγείρεµα και θέρµανση νερού και χώρων. Απόβλητα από την βιοµηχανία τροφίµων και

από βιολογικούς καθαρισµούς είναι επίσης µιά πιθανή πρώτη ύλη γιά αναερόβια

χώνευση.

5. Μαύρο ρευστό (black liquor)

Το µαύρο ρευστό είναι ένα προϊόν αποβλήτων που παράγεται από την βιοµηχανία

χαρτιού. Το ρευστό αυτό µπορεί να πυρολυθεί ή αεριοποιηθεί και χρησιµοποιηθεί ως

βιοµάζα. Ερευνητικές προσπάθειες έχουν αναπτύξει µιά διεργασία ρευστοποιηµένης

κλίσης µε ταχεία πυρόλυση που µπορεί να µετατέψει το µαύρο υγρό σε βιοκαύσιµο.

Στην συνέχεια µπορεί να µετατραπεί σε καύσιµο κατάλληλο γιά τις µηχανές των

αυτοκινήτων.

6. Απόβλητα της βιοµηχανίας ζαχάρεως

Η βιοµηχανία ζαχάρεως από ζαχαροκάλαµο παράγει µεγάλους όγκους µπαγκάσσας

(bagasse: το υπόλειµµα του ζαχαροκάλαµου) που είναι εν δυνάµει µιά µεγάλη

ενεργειακή πηγή βιοµάζας καθώς µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως πρώτη ύλη γιά

παραγωγή ατµού και ηλεκτρισµού. Οι περισσότεροι µύλοι ζάχαρης στην Αυστραλία και

ΗΠΑ παράγουν ηλεκτρισµό µε τον τρόπο αυτό, αλλά έχουν και την δυνατότητα να

εξάγουν µεγάλες ποσότητες ηλεκτρισµού από αυτή την ανανεώσιµη πηγή ενέργειας.

7. ∆ασικές Φυτείες

Το ξύλο είναι µιά σηµαντική ενεργειακή πηγή σε πολλές χώρες του κόσµου, ιδίως στην

Ασία, την Αφρική, και την Νότια Αµερική και υπάρχει το δυναµικό γιά να γίνει µιά

σηµαντική ανανεώσιµη πηγή ενέργειας και σε άλλα µέρη του κόσµου. Τα πλέον

κατάλληλα δένδρα γιά αυτές τις δασικές φυτείες είναι εκείνα που αναπτύσσονται µε

γρήγορους ρυθµούς και που µετά την κοπή ξαναµεγαλώνουν µε εκβλαστήµατα από την

ρίζα. Το ξύλο µπορεί να καεί γιά παραγωγή ατµού και ηλεκτρισµού, γιά θέρµανση στο

µαγείρεµα, γιά θέρµανση νερού και χώρων ή να χρησιµοποιηθεί γιά παραγωγή

ξυλοκάρβουνο.

8. ∆ασικά Υπολείµµατα

Τα δασικά υπολείµµατα παράγονται από εργασίες όπως αραίωµα των δένδρων,

ξεχέρσωση γιά διάνοιξη δρόµων, απογύµνωση κορµών, καθώς και φυσική φθορά. Η

επεξεργασία του ξύλου επίσης παράγει σηµαντικές ποσότητες υπολειµµάτων συνήθως

µε την µορφή απορριµάτων, φλοιούς και απορίµµατα. Αυτά τα απόβλητα τις

περισσότερες φορές δεν χρησιµοποιούνται, όµως είναι δυνατόν να συλλεγούν και

χρησιµοποιηθούν ως καύσιµη ύλη.

9. Βιοµηχανικά Απόβλητα

Η βιοµηχανία τροφίµων παράγει ένα µεγάλο όγκο αποβλήτων και παραπροϊόντων τα

οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως βιοµάζα. Αυτά τα απόβλητα παράγονται από

όλους τους τοµείς της βιοµηχανίας τροφίµων από την παραγωγή κρέατος µέχρι την

παραγωγή γλυκών και µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως ενεργειακή πηγή.

Στα στερεά απόβλητα περιλάµβανονται φλοιοί και κοµµάτια από φρούτα και λαχανικά,

τρόφιµα τα οποία κρίνονται ακατάλληλα γιά βρώση και δεν περνούν τους ποιοτικούς

ελέγχους, ιζήµατα από φίλτρα κλπ. Συνήθως καταλήγουν σε χώρους υγιεινοµικής

ταφής και επιβαρύνουν τον προϋπολογισµό της ίδιας της βιοµηχανίας τροφίµων.

Κατά την διάρκεια του πλυσίµατος του κρέατος, των φρούτων και των λαχανικών, της

αποφλοίωσης των καρπών, την προπαρασκευή του µαγειρέµατος του κρέατος, των

ψαριών, καθώς και κατά την διάρκεια της οινοπαραγωγής παράγονται µεγάλες

ποσότητες υγρών αποβλήτων. Αυτά περιέχουν σάκχαρες, άµυλο και άλλη διαλυµένη

και στερεά οργανική ύλη σε αρκετά αραιή µορφή. Γιά αυτά τα βιοµηχανικά απόβλητα

υπάρχει το δυναµικό να χωνευτούν αναεροβικά προς παραγωγή βιοαερίου ή να

ζυµωθούν γιά παραγωγή εθανόλης, και υπάρχουν αρκετά αντίστοιχα παραδείγµατα.

10. Αστικά Στερεά Απόβλητα

Κάθε χρόνο συλλέγονται και οδηγούνται στους χώρους υγιεινοµικής ταφής

απορριµάτων (ΧΥΤΑ) εκατοµµύρια τόννων αστικών αποβλήτων. Η σύσταση τους

ποικίλλει ανάλογα µε τον τόπο, την εποχή καθώς και µε τον τρόπο και επιλογή της

συλλογής των. Τα αστικά απόβλητα µπορούν να µετατραπούν σε ενέργεια µε καύση ή

µε φυσική αναεροβική χώνευση στις ΧΥΤΑ. Στις βιοµηχανικές χώρες υπάρχουν επίσης

αρκετοί σταθµοί παραγωγής ηλεκτρισµού µε καύση του βιοαερίου (µεθάνιο κυρίως) που

εκλύεται ως αποτέλεσµα της φυσικής αποσύνθεσης. Αυτό πριν οδηγηθεί προς καύση

στις µηχανές εσωτερικής καύσης ή αεριοστροβίλους γιά παραγωγή θερµότητας ή/και

ηλεκτρισµού καθαρίζεται και αποµακρύνεται το διοξείδιου του θείου που πιθανώς να

περιέχει.

11. Υγρά Απόβλητα

Τα υγρά απόβλητα είναι µιά πηγή βιοµάζας παρόµοια µε αυτή που προέρχεται από τα

ζωικά απόβλητα και έχει χρησιµοποιηθεί σε αρκετές χώρες. Συνήθως εξάγεται από τα

απόβλητα µε αναεροβική χώνευση προς παραγωγή βιοαερίου. Μιά τέτοια µονάδα

λειτουργεί στην Ψυτάλλεια και εκµεταλλευόµενη τα απόβλητα του λεκανοπεδίου της

Αθήνας παράγει ηλεκτρισµό που οδηγείται στο κεντρικό δίκτυο της ∆ΕΗ. Η λάσπη που

παραµένει µπορεί στην συνέχεια να καεί ή να πυρολυθεί γιά περαιτέρω παραγωγή

βιοαερίου ή βιοπετρελαίου.

12. Τεχνολογίες Μετατροπής της Βιοµάζας

! Αναεροβική Χώνευση

Η αναεροβική χώνευση είναι η αποσύνθεση της υγρής και πράσινης βιοµάζας µε την

βοήθεια βακτηριακής δράσης και απουσία οξυγόνου προς παραγωγή ενός αερίου

µείγµατος που αποτελείται κυρίως από µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα και είναι

γνωστό ως βιοαέριο. Η αναεροβική χώνευση των αστικών στερεών αποβλήτων που

αποθέτονται στις ΧΥΤΑ παράγει το αέριο που είναι γνωστό ως αέριο των ΧΥΤΑ µέσω της

φυσικής διαδικασίας της βακτηριακής αποσύνθεσης της οργανικής ύλης που εξελίσσεται

µε την πάροδο του χρόνου. Αυτό το µεθάνιο εκλύεται στην ατµόσφαιρα και συνεισφέρει

τελικά στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Είναι δυνατόν όµως να συλλεγεί µε την

χρησιµοποίηση διάτρητων σωλήνων που έχουν εισαχθεί µέσα στον όγκο των

αποβλήτων και µε αυτό τον τρόπο να οδηγηθεί, µέσω της φυσικής διαφοράς πίεσης, γιά

ενεργειακή εκµετάλλευση (Σχήµα 2).

Το βιοαέριο παράγεται συνήθως από τα ζωικά απόβλητα, µε ανάµιξη νερού, που

θερµαίνονται και αναµιγνύονται µέσα σε αεροστεγείς αντιδραστήρες. Αυτοί µπορεί να

έχουν διάφορα µεγέθη, από 1 m3 γιά µικρές οικιακές µονάδες µέχρι µονάδες µέχρι

2000 m3 γιά µεγάλες βιοµηχανικές εγκαταστάσεις. Το βιοαέριο µπορεί στην συνέχεια

να καεί γιά µαγείρεµα ή θέρµανση χώρων, ή να χρησιµοποιηθεί σε µηχανές εσωτερικής

καύσης γιά παραγωγή ηλεκτρισµού.

Σχήµα 2. Παραγωγή ηλεκτρισµού µε βιοαέριο από ΧΥΤΑ.

Εναλλακτικά είναι δυνατόν οι νέες ΧΥΤΑ να σχεδιαστούν µε τέτοιο τρόπο που να

ενθαρρύνει την αναεροβική χώνευση. Σε αυτές το σύστηµα των σωληνώσεων γιά την

συλλογή του βιοαερίου τοποθετείται στην αρχή, βελτιώνοντας µε αυτό τον τρόπο το

όλο σύστηµα, και επιτυγχάνοντας αποδόσεις που µπορεί να φθάσουν και 1000 m3/hr

γιά µιά περίοδο ζωής της τάξεως των 20 ετών. Μιά τέτοια µεγάλη εγκατάσταση

βρίσκεται στην Καλιφόρνια µε ισχύ 46MWe (Ramage & Scurlock 1996). Θα πρέπει να

σηµειωθεί όµως ότι η έµφαση είναι πλέον στην ανακύκλωση που σηµαίνει ότι

αναµένεται µείωση του όγκου των αποβλήτων και συνεπώς µείωση αυτού του

ενεργειακού πόρου.

! Παραγωγή Μπρικεττών και Σφαιριδίων

Οι µπρικέττες και τα σφαιρίδια (Briquetts and pellets) παράγονται από την συµπίεση

βιοµάζας σε πολύ µεγάλες πιέσεις. Αυτή η συµπίεση γίνεται σε ειδικά καλούπια, τα

προϊόντα έχουν πολύ µικρότερο όγκο από τον αρχικό και συνεπώς µεγαλύτερη σχέση

ενεργειακού περιεχοµένου προς όγκο. Είναι συνεπώς ευκολότερα στην αποθήκευση,

στην µεταφορά και στην οδήγηση προς την καύση. Μπορούν να χρησιµοποιηθούν

άµεσα ως καύσιµη ύλη ή σε µικρή κλίµακα γιά την τροφοδοσία λεβήτων και σοµπών.

Μπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν γιά την παραγωγή ξυλανθράκων.

! Άµεση Καύση και Συµπαραγωγή

Η άµεση καύση είναι η κύρια διεργασία γιά την εκµετάλλευση της βιοµάζας. Η ενέργεια

που απελευθερώνεται µπορεί να χρησιµοποιηθεί γιά θέρµανση ή ηλεκτρισµό, γιά

µαγείρεµα, γιά θέρµανση χώρων και στην βιοµηχανία.

Εφαρµογές µικρής κλίµακας, όπως µαγείρεµα και θέρµανση χώρων, είναι συνήθως

µικρής απόδοσης µε απώλειες στην µεταφορά θερµότητας της τάξης του 30-90% από

την αρχική ενέργεια. Μικρές βελτιώσεις µπορεί να έχουµε µε την χρήση αποδοτικών

συσκευών, καλά µονωµένων.

Σε µεγαλύτερη κλίµακα η βιοµάζα από τα υπολείµµατα των δασών και των αστικών

στερεών αποβλήτων µπορεί να καεί σε φούρνους γιά παραγωγή θερµότητας και γιά

παραγωγή ατµού γιά ατµοστροβίλους-γεννήτριες.

Στην Ελλάδα υπάρχει η περίπτωση χωριού στην Αρκαδία το οποίο διαθέτει σύστηµα

παραγωγής θερµότητας από τα υπολείµµατα της δασικής εκµετάλλευσης της περιοχής.

Η θερµότητα µεταφέρεται µε δίκτυο σωληνώσεων µέσα στο χωριό και διανέµεται στα

κτίρια γιά κάλυψη των θερµικών αναγκών.

Σχήµα 3. Σταθµός µεγάλης κλίµακας γιά παραγωγή θερµότητας από υπολείµµατα

ξύλου.

Σχήµα 4. Εγκατάσταση καύσης αστικών απορριµάτων.

Σχήµα 5. Φωτογραφία σταθµού παραγωγής ηλεκτρισµού,McNeil, Vermont.

Οι µεγάλοι σταθµοί παραγωγής ηλεκτρισµού µε βιοµάζα έχουν παραπλήσιο βαθµό

απόδοσης µε εκείνον των συµβατικών σταθµών µε υδρογονάνθρακες, όµως το κόστος

κατασκευής τους είναι υψηλότερο διότι θα πρέπει ο καυστήρας να σχεδιάζεται γιά το

υψηλότερο ποσοστό υγρασίας της βιοµάζας. Η οικονοµικότητα του συστήµατος όµως

βελτιώνεται στην περίπτωση συµπαραγωγής θερµότητας και ηλεκτρισµού.

! Πυρόλυση

Η πυρόλυση είναι µιά βασική θερµοχηµική διεργασία γιά την µετατροπή στερεάς

βιοµάζας σε ένα πιό χρήσιµο υγρό καύσιµο. Η βιοµάζα θερµαίνεται σε απουσία

οξυγόνου, ή καίγεται µερικώς µε περιορισµένη παροχή οξυγόνου. Παράγεται τότε ένα

αέριο µείγµα πλούσιο σε υδρογονάνθρακες, ένα υγρό παρόµοιο µε πετρέλαιο και ένα

στερεό υπόλειµµα πλούσιο σε άνθρακα, το ξυλοκάρβουνο. Παραδοσιακά η παραγωγή

του ξυλοκάρβουνου γίνεται σε σωρούς στην ύπαιθρο καλυµµένους µε χώµα. Η

διεργασία είναι πολύ αργή και µε µικρό βαθµό απόδοσης. Νέες τεχνικές, βιοµηχανικής

κλίµακας επιτρέπουν στην αύξηση της παραγωγής και την εκµετάλλευση και του υγρού

προϊόντος.

! Αεριοποίηση

Η αεριοποίηση είναι µιά µορφή πυρόλυσης, απαιτεί µεγαλύτερη παροχή αέρα και

υψηλότερες θερµοκρασίες γιά την βελτίωση της παραγωγής του βιοαερίου. Αυτό

αποτελείται από µονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και µεθάνιο, µαζί µε άζωτο και

διοξείδιο του άνθρακα. Το αέριο είναι πιό ελκυστικό από την αρχική στερεά βιοµάζα

(συνήθως ξύλο ή ξυλοκάρβουνο) γιατί µπορεί να καεί γιά παραγωγή θερµότητας και

ατµού ή να τροφοδοτήσει αεριοστρόβιλους γιά παραγωγή ηλεκτρισµού.

Η αεριοποίηση της βιοµάζας είναι η πλέον σύγχρονη µέθοδος παραγωγής ενέργειας από

βιοµάζα και έχουν σχεδιαστεί σταθµοί ισχύος µέχρι 50 MWe. Οι σταθµοί αυτοί έχουν

υψηλούς βαθµούς απόδοσης, µέχρι 50%, καθώς χρησιµοποιούν τον συνδυασµένο

κύκλο των αεριοστροβίλων. Πρόβληµα εξακολουθεί να αποτελεί ο καθαρισµός του

αερίου ώστε να µην υπάρχει περιβαλλοντικό πρόβληµα.

! Παραγωγή Ξυλοκάρβουνου

Η παραγωγή ξυλοκάρβουνου είναι µιά µορφή πυρόλυσης µε πολύ µειωµένη παροχή

οξυγόνου, όπου αποµακρύνονται τα αέρια και οι υδρατµοί. Οι σύγχρονοι κλίβανοι

ξυλοκάρβουνου λειτουργούν σε θερµοκρασίες 600 οC και παράγουν ξυλοκάρβουνο µε

βαθµό απόδοσης 25-35% της αρχικής ποσότητας βιοµάζας, ενώ τα θερµά αέρια

χρησιµοποιούνται γιά την ξήρανση της πρώτης ύλης. Το παραγόµενο ξυλόκαρβουνο

έχει περιεκτικότητα σε άνθρακα της τάξεως του 75-85% και είναι χρήσιµο γιά

θέρµανση, b-b-q, κλπ.

! Παράλληλη Καύση

Πολλές φορές η βιοµάζα χρησιµοποιείται σε κάποιο ποσοστό ως τροφοδοτικό καύσιµο

µαζί µε το κάρβουνο µέσα στον κλίβανο. Η όλη διεργασία είναι αντικείµενο γενικότερης

ερευνητικής προσπάθειας, οικονοµικής, τεχνολογικής και περιβαλλοντικής, καθώς

υπάρχει ελπίδα να χρησιµοποιηθεί στο µέλλον η βιοµάζα γιά µερική τροφοδοσία

συµβατικών σταθµών κάρβουνου (λιγνίτη, ανθρακίτη, κλπ.)

! Παραγωγή Αιθανόλης

Η αιθανόλη παράγεται από ορισµένου τύπου βιοµάζα που περιέχει σάκχαρες, άµυλο ή

κυτταρίνη (Πίνακας 2). Το πλέον γνωστό υλικό γιά την παραγωγή αιθανόλης είναι τα

σακχαροκάλαµα, αλλά µπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν το άµυλο και άλλα

δηµητριακά, καθώς και το ξύλο. Η επιλογή της βιοµάζας είναι κρίσιµο στοιχείο διότι ένα

από αυτήν προέρχεται ένα 55-80% του κόστους της αιθανόλης.

Πίνακας 2. Παραγωγή αιθανόλης από πλούσια σε υδρογονάνθρακες φυτά και προϊόντα.

Η αιθανόλη παράγεται από µιά διεργασία που είναι γνωστή ως ζύµωση. Το σάκχαρο

εξάγεται από την βιοµάζα µε σύνθλιψη, ανάµιξη µε νερό και µαγιά, και παραµονή σε

µεγάλους, θερµαινόµενους αντιδραστήρες. Η µαγιά διασπά το σάκχαρο και το

µετατρέπει σε αιθανόλη. Στην συνέχει απαιτείται απόσταξη γιά την αποµάκρυνση του

νερού και άλλων ακαθαρσιών από το αραιωµένο αλκοολούχο προϊόν (10-15%

αιθανόλη). Η συµπυκνωµένη αιθανόλη (95% κ.ό.) αφαιρείται και υγροποιείται γιά

χρήση σε µηχανές εσωτερικής καύσης. Η Βραζιλία είναι η πλέον χαρακτηριστική

περίπτωση επιτυχηµένου προγράµµατος αιθανόλης σε βιοµηχανική κλίµακα,

παράγοντας αιθανόλη από σακχαροκάλαµα. Το υπόλοιπο του φυτού µπορεί επίσης να

χρησιµοποιηθεί ως εξωτερική θερµότητα γιά την όλη διεργασία. Το στάδιο της

απόσταξης διακρίνεται από µεγάλη ενεργειακή απώλεια, ιδιαίτερα το σύνθετο

δευτερογενές στάδιο της απόσταξης που απαιτείται γιά την επίτευξη αιθανόλης µε

συµπύκνωση 99% ή µεγαλύτερη. Αυτό όµως αντισταθµίζεται µε το γεγονός ότι το υγρό

καύσιµο είναι εύκολο στην χρήση και η απαιτούµενη τεχνολογία σχετικά φθηνή και

ώριµη. Το κόστος παραγωγής αιθανόλης είναι σήµερα της τάξεως του 1$ το λίτρο.

13. Εφαρµογές Βιοµάζας

! Βιοκαύσιµα

Η παραγωγή βιοκαυσίµων όπως αιθανόλη και βιοπετρέλαιο έχει την δυνατότητα να

αντικαταστήσει σηµαντικές ποσότητες συµβατικών καυσίµων σε πολλές περιπτώσεις

µεταφορών. Το παράδειγµα της Βραζιλίας έχει αποδείξει ότι το όλο εγχείρηµα είναι

πρακτικά δυνατό σε βιοµηχανική κλίµακα. Στις ΗΠΑ και στην Ευρώπη η παραγωγή

αυξάνεται και τα προϊόντα έρχονται στην αγορά ως µείγµατα, π.χ. E20 είναι µείγµα

20% αιθανόλης και 80% πετρελαίου και χρησιµοποιείται στις περισσότερες µηχανές

εσωτερικής καύσης χωρίς πρόβληµα. Η όλη προσπάθεια υποστήριζεται προς το παρόν

µε επιχορηγήσεις, αλλά σύντοµα, µε την ευρεία διάδοση των ενεργειακών

καλλιεργειών, την βελτίωση της τεχνολογίας και την εκµετάλλευση της οικονοµίας της

κλίµακας, αναµένεται να αποκτήσει µιά θέση στην αγορά καυσίµων και να

υποκαταστήσει µερικώς τα άλλα καύσιµα.

! Παραγωγή ηλεκτρισµού

Ο ηλεκτρισµός από βιοµάζα είναι µιά µορφή ανανεώσιµης πηγής ενέργειας και µπορεί

να φέρει την σφραγίδα του «πράσινου καυσίµου». ∆εν συνεισφέρει στο φαινόµενο του

θερµοκηπίου καθώς αυτό που παράγει δεσµεύεται από την ατµόσφαιρα από τα φυτά

κατά την διάρκεια της ανάπτυξης, και όταν οι δασικές καλλιέργειες γίνονται σε εδάφη

που προηγουµένως ήσαν αποψιλωµένα, προσφέρουν επίσης µιά δασική χοάνη

κατακράτησης αερίων του φαινοµένου του θερµοκηπίου.

! Θερµότητα και Ατµός

Η καύση της βιοµάζας ή του βιοαερίου παράγει θερµότητα και ατµό. Η θερµότητα είναι

το πρωτεύον προϊόν και η πλέον κατάλληλη γιά θέρµανση κτιρίων και µαγείρεµα, ενώ

µπορεί να είναι και ένα δευτερεύον προϊόν σε συστήµατα συµπαραγωγής θερµότητας

και ηλεκτρισµού. Ο ατµός που παράγεται µε καύση βιοµάζας µπορεί να οδηγηθεί σε

ατµοστροβίλους γιά ηλεκτροπαραγωγή, γιά θέρµανση βιοµηχανικών διεργασιών ή γιά

θέρµανση µεγάλων εγκαταστάσεων.

! Καύσιµο Αέριο

Το βιοαέριο που παράγεται από την αναεροβική χώνευση έχει µιά σειρά από πιθανές

χρήσεις. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µηχανές εσωτερικής καύσης, σε συστήµατα µε

αεριοστροβίλους-γεννήτριες γιά ηλεκτροπαραγωγή, γιά παραγωγή θερµότητας σε

εµπορικές και οικιακές χρήσεις και σε ειδικά τροποποιηµένα οχήµατα γιά καύσιµο.

14. Πλεονεκτήµατα της Βιοµάζας

Η βιοµάζα είναι µιά ανανεώσιµη πηγή ενέργειας και η χρήση της δεν συνεισφέρει στο

φαινόµενο του θερµοκηπίου. Μπορεί να µειώσει τα επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα

στην ατµόσφαιρα, καθώς λειτουργεί ως χοάνη και µπορεί να αυξήσει τον άνθρακα που

είναι δεσµευµένος στο έδαφος.

Τα καύσιµα από βιοµάζα έχουν αµελητέα ποσότητα θείου και συνεπώς οι εκποµπές

διοξειδίου του θείου που προκαλούν όξινη βρονή δεν είναι σηµαντικές. Παράγεται

λιγώτερη τέφρα κατά την διάρκεια της καύσης συγκριτικά µε το κάρβουνο και αυτή η

τέφρα µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως πρόσθετο στο έδαφος γιά την ανακύκλωση υλικού

όπως ο φώσφωρος και η ποτάσσα.

Η µετατροπή αγροτικών και δασικών υπολειµµάτων, καθώς και και αστικών στερεών

αποβλήτων γιά ενεργειακή µετατροπή είναι µιά αποδοτική χρήση αυτών των προϊόντων

γιατί µειώνει τον όγκο των αποβλήτων προς διάθεση, ιδιαίτερα στις αστικές περιοχές.

Η βιοµάζα είναι τοπικό προϊόν, δεν υφίσταται τις διακυµάνσεις τιµής και την

αβεβαιότητα του πετρελαίου και του φυσικού αερίου, και µειώνει την εξάρτηση από τις

χώρες που εξάγουν πετρέλαιο.

Οι ενεργειακές φυτείες έχουν γενικά µικρότερη περιβαλλοντική επιβάρυνση από τις

συµβατικές αγροτικές καλλιέργειες.

Περιορισµοί της Χρήσης Βιοµάζας

Η βιοµάζα εχει µικρή ενεργειακή πυκνότητα και συνεπώς η µεταφορά της αυξάνει το

κόστος και µειώνει το καθαρό ενεργειακό προϊόν. Απαιτούνται µεγάλοι όγκοι και αυτό

κάνει την µεταφορά και αποθήκευση δύσκολη. Γιά την αντιµετώπιση του προβλήµατος

αυτού θα πρέπει η όλη ενεργειακή διεργασία να εγκαθίσταται κοντά σε κάποια πηγή

βιοµάζας, όπως µονάδα επεξεργασίας ξύλου, χαρτιού, κλπ.

Η ατελής καύση ξύλου παράγει αιωρούµενα σωµατίδια, µονοξείδιο του άνθρακα και

άλλα οργανικά αέρια. Αν η θερµοκρασία είναι υψηλή, έχουµε και παραγωγή οξειδίων

του αζώτου. Σε µικρότερη κλίµακα, η χρήση βιοµάζας µέσα στα σπίτια είναι παράγοντας

αέριας ρύπανσης.

There is the potential for the widespread use of natural forests to cause deforestation

and localised fuelwood scarcity, with serious ecological and social ramifications. This is

currently occurring in Nepal, parts of India, South America and in sub-saharan Africa.

Υπάρχει η περίπτωση ότι η σε µεγάλη κλίµακα χρήση δασών γιά ενεργειακή παραγωγή

να οδηγήσει σε αποψίλωση των δασών και τοπική έλλειψη καυσόξυλων, µε σοβαρές

οικολογικές και κοινωνικές συνέπειες. Τέτοιες περιπτώσεις είναι περιοχές όπως το

Νεπάλ, µέρη της Ινδίας, η Νότιος Αµερική και η Αφρική στις περιοχές νότια της

Σαχάρας.

Η εκµετάλλευση της βιοµάζας έρχεται σε αντίθεση µε άλλες χρήσεις της γης και των

νερών, όπως π.χ. παραγωγή τροφίµων. Παρ΄όλα αυτά θεωρείται ότι υπάρχει η

δυνατότητα, µε την χρήση σύγχρονων γεωργικών τεχνικών, να γίνουν δασικές

καλλιέργειες ακόµα και σε πυκνοκατοικηµένες περιοχές όπως είναι η Ευρώπη.

Στο σηµερινό στάδιο η χρήση της βιοµάζας γιά κάποιες εφαρµογές όπως παραγωγή

ηλεκτρισµού δεν είναι πλήρως ανταγωνιστική σε οικονοµικό επίπεδο. Η αύξηση όµως

της οικονοµικότητας και η συνεχώς αυξανόµενη µέριµνα γιά το περιβάλλον οδηγούν

στην διαπίστωση ότι η βιοµάζα θα είναι σε θέση στο άµεσο µέλλον να διαδραµατίσει ένα

σηµαντικό ρόλο ως ανανεώσιµη πηγή ενέργειας.

Η παραγωγή και η επεξεργασία της βιοµάζας απαιτεί πολλές φορές σηµαντική

ενεργειακή εισροή, όπως π.χ. γιά καύσιµο γιά αγροτικά οχήµατα, γιά λιπάσµατα,

µειώνοντας κατ αυτόν τον τρόπο το ενεργειακό ισοζύγιο της εκµετάλλευσης.

Υπάρχουν σε πολλές περιπτώσεις πολιτικοί και θεσµικοί περιορισµοί της χρήσης

βιοµάζας, όπως π.χ. ενεργειακές πολιτικές, φόροι, επιχορηγήσεις, κλπ. που

ενθαρρύνουν την χρήση συµβατικών καυσίµων. Οι τιµές αυτών δεν περιέχουν τα

περιβαλλοντικά πλεονεκτήµατα της βιοµάζας, αλλά και των άλλων ανανεώσιµων πηγών

ενέργειας.

15. Χρήση της Βιοµάζας

Σήµερα η σύγχρονη εκµετάλλευση της βιοµάζας αντιπροσωπεύει µόνον το 3% της

πρωτογενούς ενεργειακής κατανάλωσης των βιοµηχανικών χωρών. Στις

αναπτυσσόµενες χώρες όµως ο αγροτικός πληθυσµός, που αποτελεί το 50% του

παγκόσµιου πληθυσµού, εξακολουθεί να στηρίζεται στην παραδοσιακή βιοµάζα, κυρίως

ξύλο, γιά καύσιµη ύλη. Σε παγκόσµιο επίπεδο η βιοµάζα αντιπροσωπεύει το 14% της

πρωτογενούς ενεργειακής κατανάλωσης. (Ramage & Scurlock 1996).

Η φυσική βιοµάζα της Γης αποτελεί µιά ενεργειακή πηγή της τάξεως του 3,000 EJ σε

ετήσια βάση, ένα µικρό ποσοστό, 2%, της οποίας χρησιµοποιείται ως καύσιµο. ∆εν

είναι βέβαια διαθέσιµη προς χρήση όλη αυτή η ποσότητα και µάλιστα σε ένα βιώσιµο

πλαίσιο, όµως µιά ανάλυση των Ηνωµένων Εθνών εκτιµά ότι η βιοµάζα έχει το

δυναµικό να υποστηρίξει περίπου το ήµισυ της παγκόσµιας πρωτογενούς κατανάλωσης

ενέργειας µέχρι το 2050 (Ramage & Scurlock 1996).

16. Το µέλλον της βιοµάζας

Όπως αναπτύχθηκε στα προηγούµενα η βιοµάζα έχει την δυνατότητα να προσφέρει µιά

οικονοµική και βιώσιµη λύση στην προσφορά ενέργειας, συνεισφέροντας παράλληλα

στην αντιµετώπιση του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Είναι κρίσιµης σηµασίας όµως ότι

η παραγωγή βιοµάζας γίνεται µε βιώσιµο τρόπο. Γιά τις αναπτυσσόµενες χώρες η

πιθανή λύση είναι ο εκµοντερνισµός της χρήσης της βιοµάζας µε την εισαγωγή

κατάλληλης τεχνολογίας, βελτιώνοντας τον βαθµό απόδοσης της µετατροπής και

µειώνοντας το κόστος. Στις βιοµηχανικές χώρες αναµένεται ότι η άµεση καύση των

υπολειµµάτων και των αποβλήτων γιά ηλεκτροπαραγωγή, η παραγωγή βιοαιθανόλης

και βιοπετρελαίου, και η συµπαραγωγή θερµότητας και ηλεκτρισµού απο ενεργειακές

φυτείες είναι οι πλέον ενδεδειγµένες λύσεις. Στο µέλλον η ηλεκτροπαραγωγή µε

βιοµάζα θα πρέπει να κινηθεί προς την κατεύθυνση των συστηµάτων αεριοστροβίλων

και αεριοποίησης, που προσφέρονται γιά µεγάλους βαθµούς απόδοσης στην µετατροπή

και χρήση.

www.biofuels.gr

Τι είναι η βιοµάζαΒιοµάζα είναι κάθε οργανική ύλη (οτιδήποτε ήταν κάποτε ζωντανό) και αποτελεί το πιο υποσχόµενο απόθεµα της γης. Η βιοµάζα παρέχει όχι µόνο τροφή αλλά επίσης ενέργεια, υλικά οικοδόµησης, χαρτί, υλικά υφαντουργίας, φάρµακα και χηµικά. Ξύλα, υπολείµµατα καλλιέργειας, υπολείµµατα δασικών εκτάσεων, ενεργειακές καλλιέργειες και ζωικά απόβλητα αποτελούν παραδείγµατα βιοµάζας που δύναται να χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας. Η βιοµάζα έχει χρησιµοποιηθεί για ενεργειακούς σκοπούς από τη στιγµή που ο άνθρωπος ανακάλυψε τη φωτιά. Για εκατοµµύρια χρόνια οι άνθρωποι έκαιγαν ξύλα για να θερµάνουν το σπίτι τους και να µαγειρέψουν την τροφή τους. Στις µέρες µας, τα καύσιµα από τη βιοµάζα βρίσκουν διάφορες εφαρµογές, από τη θέρµανση του σπιτιού, την κίνηση ενός αυτοκινήτου µέχρι την λειτουργία ενός υπολογιστή ή ακόµα και ενός εργοστασίου.

Η βιοµάζα είναι ο φυσικός τρόπος για την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. Συγκεκριµένα τα φυτά απορροφούν ηλιακή ακτινοβολία και µε µία διαδικασία τη φωτοσύνθεση τη µετατρέπουν σε ενέργεια. Αναλυτικότερα οι φυτικοί οργανισµοί µε τη βοήθεια του ήλιου και των θρεπτικών συστατικών του εδάφους µετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατµόσφαιρας και το νερό σε σάκχαρα (υδρογονάνθρακες) και οξυγόνο. Οι υδρογονάνθρακες αποτελούν την αποθηκευµένη ενέργεια του φυτού. Για παράδειγµα οι τροφές

που είναι πλούσιες σε υδρογονάνθρακες (όπως τα ζυµαρικά) είναι πολύ καλές πηγές ενέργειας για το ανθρώπινο σώµα.

ΚαύσηΜέχρι τα µέσα του 18ου αιώνα τα ξύλα ήταν ο µεγαλύτερος προµηθευτής ενέργειας στην Ελλάδα και τον υπόλοιπο κόσµο.

Τα ξύλα ζέσταιναν σπίτια και τροφοδοτούσαν τα εργοστάσια. Σήµερα, το ξύλο καλύπτει µόνο ένα µέρος από τις ανάγκες της χώρας µας για ενέργεια. Τα ξύλα δεν είναι η µόνη βιοµάζα που µπορεί να καεί και να παράγει ενέργεια. Τα wood chips , τα πριονίδια, οι πίττες των φρούτων και των σπόρων, η κ ο π ρ ι ά τ ω ν ζ ώ ω ν , κ α ι τ α υπολείµµατα καλλιεργειών όπως οι κώνοι (cobs) καλαµποκιού µπορούν να καούν για την παραγωγή ενέργειας.

Τα σκουπίδια είναι µια ακόµα πηγή βιοµάζας. Τα σκουπίδια µπορούν να καούν κα ι να παράγουν ατµό κα ι ηλεκτρ ισµό . Τα ηλεκτροπαραγωγικά εργοστάσια που καίνε σκουπίδια και κάθε άλλου είδους απόβλητα για τη δηµιουργία ενέργειας ονοµάζονται " waste - to - energy " εργοστάσια. Αυτά τα εργοστάσια είναι παρόµοια µε τροφοδοτούµενα µε άνθρακα εργοστάσια. Η αρχή λειτουργία τους είναι η ίδια, η µόνη τους διαφορά είναι το καύσιµο. Τα σκουπίδια δεν περιέχουν τόσο µεγάλη θερµογόνο δύναµη όπως ο άνθρακας. Χρειάζονται λοιπόν περίπου 4 kg σκουπιδιών για να εξισορροπήσουν την ενέργεια 1 kg κάρβουνου.Σε ορισµένες περιπτώσεις, γρήγορα αναπτυσσόµενες καλλιέργειες όπως η καλλιέργεια του Μίσχανθου, χρησιµοποιούνται κυρίως για την θερµογόνο τους δύναµη.

Τα στελέχη του Μίσχανθου έχουν υψηλή θερµιδική αξία ( 17.3 MJ/kg ξηρού βάρους)

Ενεργειακή καλλιέργεια

Θερµογόνος δύναµη (MJ/kg)

Αποδόσεις σε ξηρή βιοµάζα (τόνοι/στρέµµα)

Ευκάλυπτος 19.0 1.8-3.2

Ψευδακακία 19.4 0.24-1.34

Καλάµι 18.6 2.0-3.0

Μίσχανθος 17.3 0.8-3.0

Αγριοαγκινάρα 14.5 1.7-3.3

Switchgrass 17.4 2.6

Πηγή : Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών βιοκαυσίµων στην ΕΛΛΑΔΑ, ΚΑΠΕΠηγή : Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών βιοκαυσίµων στην ΕΛΛΑΔΑ, ΚΑΠΕΠηγή : Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών βιοκαυσίµων στην ΕΛΛΑΔΑ, ΚΑΠΕ

Τον τελευταίο καιρό οι επιστήµονες ερευνούν δρόµους στην καλλιέργεια υδρόβιων ενεργειακών φυτών όπως τα φύκια έτσι ώστε να τα χρησιµοποιήσουν για την θερµική τους ενέργεια.

Η χηµική σύσταση της βιοµάζαςΗ χηµική σύσταση της βιοµάζας ποικίλει ανάλογα µε το είδος προέλευσης της. Τα περισσότερα φυτά περιέχουν περίπου 25% λιγνίνη και 75% υδρογονάνθρακες ή ζάχαρη. Η φάση των υδρογονανθράκων περιέχει πολλά µόρια σακχάρων συνδεδεµένων µεταξύ τους σε µεγάλες αλυσίδες ή πολυµερή.

Οι δύο µεγαλύτερες κατηγορίες ενώσεων που αποτελούν τους υδρογονάνθρακες είναι οι κυτταρινούχες και οι ηµί- κυτταρινούχες. Η φάση της λιγνίνης αποτελείται από µη σακχαρούχα µόρια.

Η φύση χρησιµοποιεί τα διάφορα πολυµερή µε βάση τις µεγάλες κυτταρινούχες ενώσεις για τη δηµιουργία των φυτικών ινών, οι οποίες προσδίδουν στο φυτό τη δύναµη του. Η φάση της λιγνίνης δρα ως µία φυσική "κόλλα" η οποία συγκρατεί τις κυτταρινούχες φυτικές ίνες µαζί.

Καύσιµο LHV (MJ/kg)Βιοµάζα 19.7Υδρογόνο 119.5Μαύρος άνθρακας 22.5

LHV: Χαµηλή Θερµογόνος Δύναµη

Χρησιµοποιώντας την ενέργεια της βιοµάζαςΈνα κούτσουρο ξύλου δεν δίνει την ενέργεια του εκτός αν κάνουµε κάτι σε αυτό. Συνήθως τα ξύλα καίγονται για την παραγωγή θερµότητας. Η καύση όµως δεν είναι ο µόνος τρόπος για να χρησιµοποιήσει κάποιος την ενέργεια της βιοµάζας. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τρόποι για την απελευθέρωση της ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευµένη στη βιοµάζα :

• Η καύση • Η βακτηριδιακή αποσύνθεση • Η αλκοολική ζύµωση • Η µετατροπή σε αέρια ή υγρά βιοκαύσιµα

Τι είναι τα ΒιοκαύσιµαΤα βιοκαύσιµα είναι υγρά καύσιµα µεταφορών τα οποία προέρχονται από φυτική βάση αντί από το πετρέλαιο. Η βιοαιθανόλη και το βιοντίζελ - τα κύρια βιοκαύσιµα στις µέρες µας - µπορούν να αναµειχθούν ή να αντικαταστήσουν απευθείας τη βενζίνη και το ντίζελ αντίστοιχα. Η χρήση των βιοκαυσίµων µειώνει τις τοξικές εκποµπές της ατµόσφαιρας, τη δηµιουργία του φαινόµενοι του θερµοκηπίου, την εξάρτηση από το εισαγόµενο πετρέλαιο ενώ ενισχύει σηµαντικά την γεωργική και αγροτική οικονοµία.

Σε αντίθεση µε τη βενζίνη και το ντίζελ, τα βιοκαύσιµα περιέχουν οξυγόνο. Εποµένως, προσθέτοντας βιοκαύσιµα στα προϊόντα του πετρελαίου δηµιουργείται ένα καύσιµο που καίγεται περισσότερο ολοκληρωµένα βοηθώντας στη µείωση της µόλυνσης του περιβάλλοντος.

Όταν καίγονται ορυκτά καύσιµα όπως το πετρέλαιο, εκλύεται διοξείδιο του άνθρακα το οποίο δεσµεύεται από τα φυτά εδώ και δισεκατοµµύρια χρόνια. Αυτή η εκποµπή συµβάλει στη δηµιουργία των αερίων του θερµοκηπίου το οποίο είναι υπεύθυνο για την παγκόσµια αύξηση της θερµοκρασίας.

Σχήµα 1. Ο κύκλος του Διοξειδίου του Άνθρακα

Σε αντίθεση µε τα συµβατικά καύσιµα το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται από την καύση βιοκαυσίµων, είναι σε ισορροπία µε το διοξείδιο του άνθρακα που δεσµεύεται από τις νέες καλλιέργειες φυτών από τα οποία προέρχονται τα βιοκαύσιµα. Με βάση την ποσότητα της συµβατικής ενέργειας που χρησιµοποιείται για την καλλιέργεια και την επεξεργασία των πρώτων υλών βιοµάζας οδηγούµαστε σε ουσιαστική µείωση των τελικών εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου.

ΠΩΣ ΓΙΝΕΤΑΙ Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛΗ µέθοδος παραγωγής βιοντίζελ που εφαρµόζεται παγκόσµια σε β ι ο µ η χ α ν ι κ ό ε π ί π ε δ ο σ υ ν ί σ τ α τ α ι σ τ η ν α ν τ ί δ ρ α σ η (µετεστεροποίηση) των τριγλυκεριδίων µε κάποια αλκοόλη µικρού µοριακού βάρους. Τα τριγλυκερίδια είναι τριεστέρες της γλυκερόλης, δηλ. της 1,2,3-προπανοτριόλης, µε λιπαρά οξέα (µονοκαρβοξυλικά οξέα µεγάλης ανθρακικής αλυσίδας) και αποτελούν το κύριο συστατικό (σε ποσοστό µέχρι και 98% κ.β.) των φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών. Στον Πίνακα 1 δίνεται η σύσταση των τριγλυκεριδίων ορισµένων γνωστών φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών.

Πίνακας 1. Τυπική σύσταση διαφόρων ελαίων και λιπών.

Έλαια και Λίπη 14:0 16:0 18:0 18:1 18:2 18:3 20:0 22:1

Σογιέλαιο - 6-10 2-5 20-3050-60 5-11 - -

Καλαµποκέλαιο 1-2 8-12 2-5 19-4934-62 ίχνη - -

Φυστικέλαιο - 8-9 2-3 50-6520-30 - - -

Ελαιόλαδο - 9-10 2-3 73-8410-12 ίχνη - -

Βαµβακέλαιο 0-2 20-25 1-2 23-3540-50 ίχνη - -

Safflower(1) - 5.9 1.5 8.8 83.8 - - -Safflower(2) - 4.8 1.4 74.1 19.7 - - -Κραµβέλαιο(2) - 4.3 1.3 59.9 21.1 13.2 - -Κραµβέλαιο(3) - 3.0 0.8 13.1 14.1 9.7 7.4 50.7Βούτυρο 7-10 24-26 10-13 28-31 1-2.5.2-.5 - -Λαρδί 1-2 28-30 12-18 40-50 7-13 0-1 - -Tallow 3-6 24-32 20-25 37-43 2-3 - - -

Linseed Oil - 4-7 2-4 25-4035-40

25-60 - -

Κίτρινο Λίπος 2.43 23.24 12.96 44.32 6.97 0.67 - -

Ως αλκοόλη χρησιµοποιείται συνήθως η µεθανόλη λόγω του χαµηλού κόστους και των φυσικών και χηµικών πλεονεκτηµάτων που διαθέτει. Ειδικοί καταλύτες (βάσεις, οξέα και ένζυµα) βοηθούν την αντίδραση, η οποία πραγµατοποιείται σε χαµηλές ή υψηλές θερµοκρασίες. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης µετεστεροποίησης τα λιπαρά τµήµατα του τριγλυκεριδίου αντικαθίστανται από το υδροξύλιο της αλκοόλης οπότε παράγονται αλκυλεστέρες λιπαρών οξέων και ως ενδιάµεσα διγλυκερίδια και µονογλυκερίδια, τα οποία µε τη σειρά τους δίνουν νέους αλκυλεστέρες. Στο τέλος της αντίδρασης έχουν παραχθεί οι αλκυλεστέρες των λιπαρών οξέων (µεθυλεστέρες εφόσον ως αλκοόλη έχει χρησιµοποιηθεί η µεθανόλη), οι οποίοι αποτελούν το βιοντίζελ, και γλυκερίνη ως παραπροϊόν. Ακολουθεί κατάλληλος διαχωρισµός των προϊόντων και καθαρισµός του παραγόµενου βιοντίζελ. Στο Σχήµα 1 φαίνεται συνοπτικά η αντίδραση µετεστεροποίησης τριγλυκεριδίου µε αλκοόλη.

Τριγλυκερίδιο Αλκοόλη Εστέρες Γλυκερίνη

Σχήµα 1: Αντίδραση Μετεστεροποίησης Τριγλυκεριδίου

όπου:CvH2v+1=R

ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΜΕΤΕΣΤΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣΤο είδος του καταλύτη που χρησιµοποιείται στην αντίδραση µετεστεροποίησης είναι σηµαντικός παράγοντας, αφού καθορίζει την ποιότητα που πρέπει να έχουν οι πρώτες ύλες. Οι συνθήκες της αντίδρασης (θερµοκρασία, πίεση και αναλογίες των ποσοτήτων των αντιδραστηρίων) καθώς και τα στάδια διαχωρισµού των προϊόντων επίσης καθορίζονται από την ποιότητα των πρώτων υλών σε συνδυασµό µε το είδος του καταλύτη. Οι διεργασίες στις οποίες βασίζεται η έως τώρα ανάπτυξη των µονάδων παραγωγής βιοντίζελ πρώτης γενιάς σε ολόκληρο τον κόσµο χρησιµοποιούν ως καταλύτες κυρίως ισχυρές βάσεις ( NaOH ή KOH , CH3ONa κ.ά.), οι οποίες διαλύονται στη µεθανόλη, σπανίως δε ισχυρά οξέα (πυκνό H2SO4)

Μηχανισµοί της βασικής και της όξινης οµογενούς κατάλυσης.Στην περίπτωση των υδροξειδίων η αντίδραση γίνεται κοντά στο σηµείο ζέσης της µεθανόλης, σε θερµοκρασίες 60o έως 64oC, οπότε η πίεση στο χώρο της αντίδρασης δεν υπερβαίνει το 1 bar , ο χρόνος που απαιτείται είναι περίπου µία (1) ώρα, ενώ η µοριακή αναλογία µεθανόλης / λαδιού που προτείνεται είναι ίση µε 6/1. Ένα αδύνατο σηµείο της διεργασίας αυτής είναι η παρουσία των καταλυτών στο µίγµα. Η έκπλυση των δύο φάσεων αυξάνει το κόστος παραγωγής και δηµιουργεί απόβλητα. Ακόµα, η φάση της γλυκερίνης αποκτά σκούρο καστανό χρώµα και απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία για την παραγωγή διαυγούς γλυκερίνης υψηλής αξίας.Ένα επιπλέον πρόβληµα σχετικό µε τη χρήση των υδροξειδίων αποτελεί η αντίδραση του καταλύτη µε τα ελεύθερα οργανικά (λιπαρά) οξέα (FFAs) τα οποία περιέχονται κυρίως σε έλαια χαµηλής ποιότητας (όπως είναι τα απόβλητα έλαια βιοµηχανιών ραφιναρίσµατος λαδιών και τα τηγανέλαια) ή δηµιουργούνται από την υδρόλυση των τριγλυκεριδίων λόγω του νερού που περιέχεται στα έλαια αυτά, µε αποτέλεσµα να παράγονται σαπούνια (Σχήµα 2). Η παραγωγή σαπουνιών προκαλεί το σχηµατισµό τζελ, αύξηση του

ιξώδους του προϊόντος και σηµαντική αύξηση του κόστους διαχωρισµού και καθαρισµού.

Σχήµα 2 : Υδρόλυση εστέρων και σαπωνοποίησή τους

Έτσι απαιτείται προεπεξεργασία των ελαίων αυτών µε σκοπό την αποµάκρυνση της περιεχόµενης υγρασίας και την όξινη εστεροποίηση των ελεύθερων λιπαρών οξέων πριν οδηγηθούν στη βασική µέθοδο παραγωγής βιοντίζελ (Σχήµα 3).

Σχήµα 3 : Εστεροποίηση ελεύθερων λιπαρών οξέων

Συνεπώς, η χρήση ισχυρών οµογενών βάσεων απαιτεί σχετικά καθαρή πρώτη ύλη, δηλ. λάδι µε πάρα πολύ χαµηλή οξύτητα (περιεκτικότητα σε ελεύθερα λιπαρά οξέα µικρότερη από 0,5% κ.β.) και απαλλαγµένο από υγρασία, η οποία όχι µόνο στο λάδι αλλά και στον καταλύτη και στην χρησιµοποιούµενη αλκοόλη πρέπει συνολικά (δηλ. στο αντιδρών µίγµα) να βρίσκεται σε ποσοστό µικρότερο του 0,1-0,3% κ.β., κάτι που αυξάνει σηµαντικά το κόστος του παραγόµενου βιοντίζελ, το οποίο στην περίπτωση αυτή οφείλεται κατά 70% περίπου στο κόστος της πρώτης ύλης (ραφιναρισµένα ή στη χειρότερη περίπτωση εξουδετερωµένα έλαια). Στην περίπτωση των ισχυρών οξέων δεν εµφανίζεται το πρόβληµα της παραγωγής σαπουνιών, η αντίδραση γίνεται στους 60o έως 64oC , αλλά απαιτεί περίπου 50 ώρες για να ολοκληρωθεί, ενώ χρειάζεται µοριακή αναλογία µεθανόλης / λαδιού ίση µε 30/1.

Μέθοδος Θερµοκρασία FFAs* Χρόνος αντίδρασης

Μοριακή αναλογία Μεθανόλης / ελαίου

Βασική 60 - 65 oC >0.5%κ.β. 1 - 1.5h 6 / 1Όξινη 60 - 65 oC <0.5%κ.β. 40 - 50h 30 / 1

*FFAs : Free Fatty Acids (Ελεύθερα Λιπαρά Οξέα)

Παρόλο, λοιπόν, που οι συµβατικές διεργασίες απαιτούν χαµηλές θερµοκρασίες για την αντίδραση, η συνεχής κατανάλωση του καταλύτη που επιβαρύνει οικονοµικά τη διεργασία και συµβάλλει στη ρύπανση του περιβάλλοντος, η απαίτηση για συνεχή καθαρισµό του ρεύµατος παραγωγής και οι χαµηλές αποδόσεις προϊόντων όταν χρησιµοποιούνται όξινα έλαια, οδήγησαν την έρευνα στην ανεύρεση

νέων, οικονοµικά αποδοτικών και ευέλικτων διεργασιών παραγωγής βιοντίζελ, οι οποίες χρησιµοποιούν στερεούς ετερογενείς καταλύτες για τη µετεστεροποίηση, δηµιουργώντας έτσι µια νέα εποχή για την τεχνολογία παραγωγής βιοντίζελ.

Τι είναι η ΒιοαιθανόληΤο πρώτο καύσιµο που χρησιµοποιήθηκε ως υποκατάστατο της βενζίνης σε κινούµενα οχήµατα είναι η βιοαιθανόλη. Η βιοαιθανόλη παράγεται κυρίως από την αλκοολική ζύµωση της ζάχαρης. Μπορεί επίσης να συντεθεί βιοµηχανικά από την χηµική αντίδραση του αιθυλενίου µε ατµό.Οι κύριες πηγές ζάχαρης που απαιτούνται για την παραγωγή αιθανόλης προέρχονται από ενεργειακές καλλιέργειες, δηλ από καλλιέργειες που αναπτύσσονται ειδικά για ενεργειακούς σκοπούς. Οι καλλιέργειες αυτές µπορεί να είναι το σόργο, τα τεύτλα, το καλαµπόκι, το σιτάρι, τα άχυρα, το ξύλο ιτιάς και άλλων δέντρων, το πριονίδι, ο µίσχανθος, η αγριαγκινάρα και άλλες. Παράλληλα, βρίσκονται σε εξέλιξη έρευνες σχετικά µε την αξιοποίηση των δηµοτικών στερεών αποβλήτων για την παραγωγή βιοαιθανόλης.Η αιθανόλη ή αιθυλική αλκοόλη ( C2H5OH ) είναι ένα άχρωµο διαυγές υγρό. Είναι βιοαποικοδοµήσιµη, χαµηλής τοξικότητας και προκαλεί πολύ µικρή περιβαλλοντική µόλυνση αν χυθεί στο περιβάλλον. Κατά την τέλεια καύση της παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Η αιθανόλη είναι ένα καύσιµο υψηλού αριθµού οκτανίων και µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως πρόσθετο αύξησης του αριθµού οκτανίου της βενζίνης. Με τη ανάµιξή της µε τη βενζίνη επιτυγχάνουµε επίσης τον εµπλουτισµού του καυσίµου µίγµατος σε οξυγόνο, µε αποτέλεσµα µια πιο ολοκληρωµένη καύση, άρα και µειωµένες εκποµπές επικίνδυνων καυσαερίων.Μίγµατα καυσίµου αιθανόλης µε βενζίνη πωλούνται ευρύτατα στις Ηνωµένες Πολιτείες. Το πιο συνηθισµένο µίγµα είναι αυτό που αποτελείται από 10% αιθανόλη και 90% βενζίνη (Ε10) . Οι κινητήρες των συµβατικών οχηµάτων δεν απαιτούν µετατροπή για να κινηθούν µε Ε10 , επιπλέον η χρήση Ε10 δεν έχει καµία επίπτωση στην εγγύηση του οχήµατος. Μόνο ευέλικτα οχήµατα µπορούν να κινηθούν µε καύσιµο µίγµα 85% αιθανόλης και 15% βενζίνης (Ε85).

ΒΙΟΑΕΡΙΟ Βακτηριακή αποσύνθεση

Τα βακτήρια τρέφονται µε νεκρά ζώα και φυτά. Καθώς τα φ υ τ ά κ α ι τ α ζ ώ α αποσυντίθενται παράγουν ένα άχρωµο και άοσµο αέριο το µεθάνιο. Το µεθάνιο είναι πλούσιο σε ενέργεια και αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, το αέριο που χρησ ιµοπο ι ε ί τ α ι σε φούρνους και σόµπες. Το µεθάνιο είναι µια πάρα πολύ κ α λ ή π η γ ή ε ν έ ρ γ ε ι α ς . Μπορούµε µε την καύση του να παράγουµε θερµότητα και ηλεκτρισµό.

Χωνευτήρας βιοµάζας

Σε ορισµένες χωµατερές (όπου επί το πλείστον βρίσκονται υπολείµµατα φυτικών και ζωικών οργανισµών) ανοίγονται πηγάδια σε σωρούς από σκουπίδια για να δεσµευτεί το µεθάνιο που παράγεται από την αποσύνθεση αυτών των αποβλήτων. Το µεθάνιο µπορεί να καθαριστεί και να χρησιµοποιηθεί ως πηγή ενέργειας όπως το φυσικό αέριο.

Παράδειγµα βιοαερίου χρησιµοποιώντας ζωική κοπριά ως πρώτη ύλη

Σύσταση και καύση Βιοαερίου

Σύσταση του ΒιοαερίουΜεθάνιο (CH4) : 55-70%Διοξείδιο του άνθρακα (CO2) : 30-45%

Υδρόθειο (H2S) : 1-2%Άζωτο (N2) : 0-1%Υδρογόνο (H2) : 0-1%Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) : ίχνηΟξυγόνο (O2) : ίχνη

Καύση Βιοαερίου Κατά την καύση του βιοαερίου µε περιεκτ ικότητα 60-70% σε µεθάνιο παράγεται µπλε φλόγα ε νώ παρά λ λη λ α ε κ λ ύ ε τ α ι θ ε ρ µ ο γ ό ν ο ς δ ύ ν α µ η τ ω ν 4500-5500 kcal/m3 ή (18.8-23.0 ΜJ/m3). Η θερµική δύναµή του είναι άµεσα συνδεδεµένη µε το ποσοστό του περιεχόµενου σε αυτό µεθανίου. Η περιεκτικότητα σε µεθάνιο µε τη σειρά της εξαρτάται από την φύση των π ρ ώ τ ω ν υ λ ώ ν π ο υ χρησιµοποιούνται κατά την χώνεψη. Από τη στιγµή που η σύσταση του αερίου ποικίλει, οι καυστήρες που έχουν σχεδιαστεί για φυσικό αέριο, βουτάνιο ή LPG όταν χρησιµοποιούνται ως καυστήρες βιοαερίου έχουν πολύ "µικρότερη" απόδοση. Για αυτό το λόγο χρησιµοποιούνται ειδικά σ χ ε δ ι α σ µ έ ν ο ι κ α υ σ τ ή ρ ε ς βιοαερίου που έχουν θερµική απόδοση 55-65%. Το βιοαέριο είναι πολύ σταθερό, µη-τοξικό, άχρωµο, άοσµο και άγευστο αέριο. Παρόλα αυτό το µικρό ποσοστό υδρόθειου που περιέχει το µίγµα, ενδέχεται να του προσδώσει µια ελαφριά µυρωδιά σάπιου αυγού ιδίως κατά την καύση.

Μο ν ά δ α π α ρ α γω γ ή ς 2 5 0 k W η λ ε κ ρ ι κ ή ς ενέργειας και 100kW θερµικής ενέργειας µε την καύση βιοαερίου

Κατά την καύση του βιοαερίου µε περιεκτ ικότητα 60-70% σε µεθάνιο παράγεται µπλε φλόγα ε νώ παρά λ λη λ α ε κ λ ύ ε τ α ι θ ε ρ µ ο γ ό ν ο ς δ ύ ν α µ η τ ω ν 4500-5500 kcal/m3 ή (18.8-23.0 ΜJ/m3). Η θερµική δύναµή του είναι άµεσα συνδεδεµένη µε το ποσοστό του περιεχόµενου σε αυτό µεθανίου. Η περιεκτικότητα σε µεθάνιο µε τη σειρά της εξαρτάται από την φύση των π ρ ώ τ ω ν υ λ ώ ν π ο υ χρησιµοποιούνται κατά την χώνεψη. Από τη στιγµή που η σύσταση του αερίου ποικίλει, οι καυστήρες που έχουν σχεδιαστεί για φυσικό αέριο, βουτάνιο ή LPG όταν χρησιµοποιούνται ως καυστήρες βιοαερίου έχουν πολύ "µικρότερη" απόδοση. Για αυτό το λόγο χρησιµοποιούνται ειδικά σ χ ε δ ι α σ µ έ ν ο ι κ α υ σ τ ή ρ ε ς βιοαερίου που έχουν θερµική απόδοση 55-65%. Το βιοαέριο είναι πολύ σταθερό, µη-τοξικό, άχρωµο, άοσµο και άγευστο αέριο. Παρόλα αυτό το µικρό ποσοστό υδρόθειου που περιέχει το µίγµα, ενδέχεται να του προσδώσει µια ελαφριά µυρωδιά σάπιου αυγού ιδίως κατά την καύση.

Εξαιτίας του µεγάλου ποσοστού διοξειδίου του άνθρακα που περιέχει αποτρέπεται ο κίνδυνος έκρηξης, εποµένως το βιοαέριο θεωρείται ένα πολύ ασφαλές καύσιµο για τις αγροτικές κατοικίες.

Η καύση 1 m3 βιοαερίου θα παράγει 4500-5500 kcal/m3 ή (18.8-23.0 ΜJ/m3) θερµικής ενέργειας. Όταν η καύση του γίνεται σε ειδικά σχεδιασµένους καυστήρες, οι οποίοι έχουν απόδοση περίπου 60%, θα µας δώσει 2700-3200 kcal/m3 ή (11.3-13.4 ΜJ/m3) ωφέλιµης ενέργειας.Ως 1 kcal έχει οριστεί η θερµότητα που απαιτείται για την αύξηση της θερµοκρασίας 1 kg νερού κατά 1 βαθµό Κελσίου. Συνεπώς αυτή η ωφέλιµη θερµότητα (π.χ. 3000 kcal/m3 κατά µέσο όρο) επαρκεί για βράσει περίπου 100 kg νερού από τους 20 βαθµούς Κελσίου, ή να ανάψει µια λάµπα των 60-100 Watt για 4-5 ώρες.

Χρησιμα αρχεια6

biomass energy

ramage amp

black liquor

bauen amp

piu

co2

bauen

safflower

Documents

ΧΡΗΣΙΜΑ ΤΗΛΕΦΩΝΑ · 2020. 9. 15. · 2 3...

Χρησιμα αρχεια

ΧΡΗΣΙΜΑ ΤΗΛΕΦΩΝΑ...

Χρησιμα αρχεια7

ΧΡΗΣΙΜΑ ΤΗΛΕΦΩΝΑ · 2020. 10. 30. ·...