ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ (ΚΠΠ60/Β) / ΚΟΡΔΟΥΛΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ
Από τη Βιομηχανική Επανάσταση μέχρι σήμερα, το βιομηχανικό μοντέλο ανάπτυξης και η παραγωγή ενέργειας βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στην εκμετάλλευση των ορυκτών καυσίμων, και το γεγονός αυτό έχει άμεσες και αισθητές συνέπειες: επηρεάζει ανεπανόρθωτα το περιβάλλον και υποβαθμίζει την ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Δεδομένου ότι πλησιάζουμε χρονικά ολοένα και πιο κοντά στην εξάντληση των φυσικών αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων - ενώ ο παγκόσμιος πληθυσμός και οι παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις αυξάνονται - και στην προσπάθειά μας να περιορίσουμε τις αυξημένες εκπομπές θερμοκηπικών αερίων (GHG) και να αμβλύνουμε ταυτόχρονα το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής, έχουν σημειωθεί σημαντικά βήματα σε όλο τον κόσμο για τη μετάβαση από τη σημερινή οικονομία ορυκτών πόρων σε μια βιώσιμη κυκλική βιο-οικονομία που στηρίζεται στη βιο-ενέργεια, και συνεπώς στη βιομάζα. Ένας βασικός παράγοντας για την απεξάρτηση διαφόρων τομέων παραγωγής από τη χρήση ορυκτών καυσίμων και την υλοποίηση μιας επιτυχημένης μετάβασης στην κυκλική βιο-οικονομία, είναι η παραγωγή καυσίμων, ενέργειας και διαφόρων προϊόντων, από την αξιοποίηση διαφορετικών ειδών βιομάζας. Η αξιοποίηση της βιομάζας επιτυγχάνεται με την εφαρμογή κατάλληλων μεθόδων προεπεξεργασίας και τεχνολογιών μετατροπής, που οδηγούν σε παραγωγή θερμότητας, ηλεκτρικής ενέργειας, βιοκαυσίμων, βιο-προϊόντων και χημικών μορίων πλατφόρμας για περαιτέρω συνθετικές πορείες, κατά τις οποίες μπορεί να προκύψει μια πλειάδα χημικών ενώσεων που είναι απαραίτητα πρόδρομα δομικά μόρια σε διάφορες βιομηχανίες.
Η μετατροπή της βιομάζας σε αέρια, υγρά και στερεά βιοκαύσιμα πραγματοποιείται κυρίως μέσω βιοχημικών και θερμοχημικών διεργασιών, ενώ το ποσοστό περιεχόμενης υγρασίας και η θερμογόνος δύναμη των διαφορετικών ειδών βιομάζας είναι καθοριστικοί παράγοντες για την επιλογή κατάλληλης διεργασίας μετατροπής. Ανάμεσα σε αυτές τις μεθόδους μετατροπής, η συμβατική αεριοποίηση βιομάζας αποτελεί μια εξαιρετική μέθοδο μετατροπής και ειδικά της ξηρής λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας. Παρουσιάζει τα περισσότερα πλεονεκτήματα αφού χαρακτηρίζεται από υψηλή αποτελεσματικότητα μετατροπής του άνθρακα της τροφοδοσίας, παρέχει αέριο προϊόν με υψηλότερη θερμογόνο δύναμη, έχει χαμηλότερες εκπομπές CO2, και παρέχει προϊόντα που μπορούν να αποδώσουν θερμότητα, ενέργεια και βιοκαύσιμα. Όμως, η αεριοποίηση βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία (συμπεριλαμβανομένων και ροών αποβλήτων) δεν θεωρείται συμφέρουσα, καθώς η προαπαιτούμενη ξήρανση της τροφοδοσίας καταναλώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας. Σε ορισμένες τροφοδοσίες βιομάζας είναι μεγαλύτερη από το ενεργειακό περιεχόμενο του προϊόντος της αεριοποίησης τους. Η ενέργεια που δαπανάται για την εξάτμιση της υγρασίας της βιομάζας είναι της τάξης των 2257 kJ/kg, και ουσιαστικά είναι μη ανακτήσιμη. Μια εναλλακτική διεργασία μετατροπής βιομάζας υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία όπως η λυματολάσπη, η κοπριά ζώων και τα απόβλητα διαφόρων βιομηχανιών υψηλού οργανικού φορτίου (πχ τροφίμων), είναι η αναερόβια χώνευση. Η αναερόβια χώνευση όμως, χαρακτηρίζεται από αργούς ρυθμούς και εξαιρετικά μεγάλους χρόνους παραμονής (έως και 4 εβδομάδες), ενώ τα υγρά απόβλητα και ο χωνεμένος πολτός που παραμένει στους αντιδραστήρες χώνευσης πρέπει να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία πριν την τελική διάθεσή τους.
Η καταλυτική και μη καταλυτική αεριοποίηση παρουσία υπερκρίσιμου νερού παρουσιάζεται ως η εναλλακτική υδροθερμική πρόταση και στις δύο προαναφερθείσες διεργασίες μετατροπής αποβλήτων και βιομάζας υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία (70-90%). Γενικά, ως υδροθερμικές διεργασίες μετατροπής της βιομάζας ορίζονται οι χημικές και φυσικές μέθοδοι μετατροπής βιομάζας σε υψηλή θερμοκρασία (200-600C) και υψηλή πίεση (5-40ΜΡa), οι οποίες λαμβάνουν χώρα παρουσία σχεδόν κρίσιμου ή υπερκρίσιμου νερού. Η θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας κάτω από αυτές τις συνθήκες παρουσιάζει σαφή ενεργειακά πλεονεκτήματα καθώς, όταν το νερό θερμαίνεται σε υψηλές πιέσεις, αποφεύγεται η μετάβαση από την υγρή στην αέρια φάση (ατμός), και έτσι αποφεύγεται η ενεργειακή δαπάνη που συνοδεύει την διαφορά ενθαλπίας μεταξύ των δύο φάσεων. Επίσης, η διεργασία αυτή δεν απαιτεί πρότερη ξήρανση της βιομάζας, λαμβάνει χώρα σε πολύ σύντομους χρόνους παραμονής, και τα αέρια προϊόντα διαχωρίζονται εύκολα. Για τους παραπάνω λόγους η διεργασία αυτή συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον. Το υπερκρίσιμο νερό διαθέτει ιδιαίτερες φυσικοχημικές ιδιότητες που του δίνουν τη δυνατότητα να δράσει ως διαλύτης (με συμπεριφορά παρόμοια ενός οργανικού μη-πολικού διαλύτη), αντιδρών και καταλύτης ταυτόχρονα, ενώ παράλληλα ευνοεί τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας επιταχύνοντας τη διεργασία. Επίσης, η διεργασία αυτή παρουσιάζει μειωμένο σχηματισμό πίσσας και εξανθρακώματος, ελαχιστοποιώντας έτσι τα προβλήματα αποφράξεων και αποθέσεων, και αυξάνοντας τη συνολική αποτελεσματικότητα αεριοποίησης. Επιπρόσθετα, η διεργασία μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή παραγωγή υδρογόνου, κάτω από κατάλληλες συνθήκες αντίδρασης και καταλύτες.
Η παρούσα εργασία εστιάζει στη μελέτη της τεχνολογίας της Καταλυτικής Aεριοποίησης Bιομάζας παρουσία Yπερκρίσιμου Nερού SCWG (Catalytic Supercritical Water Gasification of Biomass, T>375C, P>221 bar), η οποία έχει τη δυνατότητα να αξιοποιήσει μια ποικιλία τροφοδοσιών βιομάζας και ροών αποβλήτων, και ιδιαίτερα βιομάζα υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία, οδηγώντας στην παραγωγή βιοκαυσίμων: συγκεκριμένα στην παραγωγή αερίου σύνθεσης, Syngas, το οποίο μπορεί να είναι - με κατάλληλη επιλογή λειτουργικών συνθηκών και καταλύτη – πλούσιο σε αέριο H2 ή CH4. Γενικά, το Syngas είναι ένα πολυλειτουργικό βιοκαύσιμο: χρησιμεύει ως τροφοδοσία στη σύνθεση βιοκαυσίμων, στην παραγωγή ενέργειας (με υψηλή ενεργειακή απόδοση ειδικά με συνδυασμένους κύκλους και με κυψελίδες καυσίμων) και χημικών προϊόντων. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η μεγαλύτερη ποσότητα παραγόμενου Syngas χρησιμοποιείται στη σύνθεση αμμωνίας (~50%), και ακολουθείται από την παραγωγή βιο-υδρογόνου (~25%) για διάφορες εφαρμογές (πχ διεργασίες σε διυλιστήρια πετρελαίου), με το υπόλοιπο ποσοστό να μοιράζεται στην παραγωγή βιο-μεθανόλης, στην παραγωγή βιοκαυσίμων μέσω της σύνθεσης F-T (Fischer-Tropsch) και σε διάφορες άλλες διεργασίες (πχ βιομηχανία τροφίμων και μεταλλευμάτων, σε ηλεκτρονικές εφαρμογές και σε κυψέλες καυσίμου).
From the Industrial Revolution era to present times, industrial development and energy production have relied heavily on the exploitation of fossil fuels, and that fact entails direct and sensible consequences: irreversible impacts on the environment and degradation of the quality of human life. As we are continuously approaching closer to the time frame of fossil fuels natural reserves depletion, while global population and global energy demands increase, and simultaneously coping with increased greenhouse gases (GHG) emissions and climate change mitigation, there have been significant steps taken all over the world in order to be able to proceed with the transition from the current fossil fuel-based economy to a sustainable circular bio-economy based on bio-energy, and thus on biomass. Producing biomass-based fuels, energy and various bio-products is the key factor in the decarbonization process and in the realization of a successful transition to a circular bio-economy, in order to substitute fossil fuel-derived energy products to their bio-based equivalents by processing various types of biomass feedstock. Biomass valorization encompasses a variety of pretreatment methods and conversion technologies that will yield heat, electricity, biofuels, bio-products and molecule platforms or precursors as building blocks for further synthesis in various industrial processes.
The conversion of biomass into gaseous, liquid and solid biofuels takes place mainly through biochemical and thermo-chemical processes, while moisture content and calorific value of different biomass feedstocks are key factors as far as the selection of the appropriate conversion process is concerned. Among these conversion processes, conventional biomass gasification is an excellent conversion method for dry lignocellulosic biomass feedstocks. Conventional biomass gasification displays most advantageous features like high carbon conversion efficiency, a gas product of higher calorific value, lower CO2 emissions, and finally delivers products that can yield heat, energy and biofuels. However, gasification of high moisture content biomass (waste streams included) has a negative impact on process energy efficiency: the pre-requisite drying of the feedstock consumes a significant amount of energy, which is greater than the energy content of the product in cases of specific biomass feedstocks. In order to evaporate biomass moisture, an energy consumption of 2257 kJ/kg is required, which actually cannot be recovered. An alternative conversion process of high moisture content biomass, such as sewage sludge, livestock manure, and high organic loading industrial waste streams (eg food waste), is anaerobic digestion. However, anaerobic digestion is characterized by slow rates and extremely long residence time (up to 4 weeks), while liquid effluents and fermented sludge remaining in the reactor must be further processed before their final disposal.
Catalytic and non-catalytic supercritical water gasification is an alternative hydrothermal process to both the aforementioned conversion processes of waste and high moisture content biomass (70-90%). Generally, hydrothermal processes are defined as chemical and physical methods for converting biomass under high temperature (200-600C) and high pressure (5-40MPa), which take place in the presence of near-critical or supercritical water. These thermo-chemical media of reforming biomass may have clear energy advantages; when pressurized water is heated, water phase change from liquid to vapor (steam) is avoided, and thus large enthalpic energy penalties are avoided. This process does not require prior drying of biomass, takes place at very short residence time, and the gaseous products of the process are easily separated. This process attracts a lot of interest due to the presence of supercritical water; favorable physical and chemical properties enable supercritical water to act as a solvent (resembling an organic non-polar solvent), reactant and catalyst simultaneously, while providing enhanced mass transfer and faster reactions. Also, this process shows reduced tar and char formation, and thus minimizes plugging and fouling problems, and increases overall gasification efficiency. Furthermore, the process can lead to high hydrogen production under appropriate reaction conditions and catalysts.
The present thesis focuses on the conversion technology of Catalytic Supercritical Water Gasification of Biomass (SCWG: T>375C, P>221 bar), which displays a great potential of processing a wide range of biomass feedstock and waste streams, and especially high moisture content biomass, leading to biofuel production; the main product is synthesis gas, commonly known as Syngas, which can be rich in H2 or CH4, depending greatly on the operating conditions and the choice of catalyst. Generally speaking, Syngas is a multi-functional biofuel: it can serve as a feedstock in biofuel synthesis, energy production (demonstrating high energy efficiency, especially with combined cycles and fuel cells) and the production of chemicals. Globally, the largest amount of produced Syngas is used in ammonia synthesis (~50%), followed by bio-hydrogen production (~25%) for various further applications (e.g. oil refinery processes) , with the remainder being shared in bio-methanol production, biofuel production via the Fischer-Tropsch (F-T) process and other industrial processes (e.g. food and metal industry, electronics and fuel cells).
Καταλυτική Παραγωγή Βιοκαυσίμων μέσω Αεριοποίησης Βιομάζας παρουσία Υπερκρίσιμου Νερού