(1)

Kαλαντζή Κωνσταντίνα

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | i

Σχολή Θετικών Επιστημών & Τεχνολογίας Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών

“Κατάλυση και Προστασία του Περιβάλλοντος” (ΜSc)

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

“Καταλυτική Παραγωγή Βιοκαυσίμων

μέσω Αεριοποίησης Βιομάζας παρουσία Υπερκρίσιμου Νερού”

Καλαντζή Κωνσταντίνα Χημικός

ΑΜ: 115686

Επιβλέπων Καθηγητής: Κορδούλης Χρήστος

ΠΑΤΡΑ, Ιούνιος 2019

(2)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | ii ( Η φωτογραφία του εξωφύλλου ανακτήθηκε στις 10 Ιανουαρίου 2019 από τη διεύθυνση

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2016/ee/c6ee00935b )

Η παρούσα εργασία αποτελεί πνευματική ιδιοκτησία του φοιτητή/της φοιτήτριας («συγγραφέας/δημιουργός») που την εκπόνησε. Στο πλαίσιο της πολιτικής ανοικτής πρόσβασης ο/η συγγραφέας/δημιουργός εκχωρεί στο ΕΑΠ, μη αποκλειστική άδεια χρήσης του δικαιώματος αναπαραγωγής, προσαρμογής, δημόσιου δανεισμού, παρουσίασης στο κοινό και ψηφιακής διάχυσής τους διεθνώς, σε ηλεκτρονική μορφή και σε οποιοδήποτε μέσο, για διδακτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, άνευ ανταλλάγματος και για όλο το χρόνο διάρκειας των δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας. Η ανοικτή πρόσβαση στο πλήρες κείμενο για μελέτη και ανάγνωση δεν σημαίνει καθ’ οιονδήποτε τρόπο παραχώρηση δικαιωμάτων διανοητικής ιδιοκτησίας του/της συγγραφέα/δημιουργού ούτε επιτρέπει την αναπαραγωγή, αναδημοσίευση, αντιγραφή, αποθήκευση, πώληση, εμπορική χρήση, μετάδοση, διανομή, έκδοση, εκτέλεση, «μεταφόρτωση»

(downloading), «ανάρτηση» (uploading), μετάφραση, τροποποίηση με οποιονδήποτε τρόπο, τμηματικά ή περιληπτικά της εργασίας, χωρίς τη ρητή προηγούμενη έγγραφη συναίνεση του/της συγγραφέα/δημιουργού. Ο/Η συγγραφέας/δημιουργός διατηρεί το σύνολο των ηθικών και περιουσιακών του δικαιωμάτων.

(3)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | iii

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

“Καταλυτική Παραγωγή βιοκαυσίμων μέσω Αεριοποίησης βιομάζας παρουσία Υπερκρίσιμου Νερού”

“Catalytic Βiofuel Production via Supercritical Water Gasification of Biomass”

Καλαντζή Κωνσταντίνα ΑΜ: 115686

Επιτροπή Επίβλεψης Διπλωματικής Εργασίας

Επιβλέπων Καθηγητής A’:

ΚΟΡΔΟΥΛΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ

Καθηγητής Τμήματος Χημείας, Πανεπιστήμιο Πατρών

Eπιβλέπων Καθηγητής B’:

ΒΑΚΡΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ

Διδάκτορας Τμήματος Χημείας, Πανεπιστήμιο Πατρών

(4)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | iv

(5)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | v

Πρόλογος

Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά όλους όσους υπήρξαν συνοδοιπόροι μου σε αυτό το ταξίδι γνώσεων, τόσο κατά κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας όσο και κατά τη διάρκεια των σπουδών μου.

Θα ήθελα να ευχαριστήσω πρώτα από όλους τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ.

Κορδούλη Χρήστο για τη συμβολή του στην επιλογή του θέματος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, και για την άψογη συνεργασία, συμπαράσταση και καθοδήγηση που μου προσέφερε.

Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον συνεπιβλέποντα καθηγητή μου κ. Βάκρο Ιωάννη, τον Διευθυντή Προγράμματος Σπουδών κ. Μπουρίκα Κυριάκο, και όλους ανεξαιρέτως τους καθηγητές μου στο Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών “Κατάλυση και Προστασία του Περιβάλλοντος” του ΕΑΠ, για τις γνώσεις και την πολύτιμη καθοδήγηση που μου πρόσφεραν ο καθένας ξεχωριστά.

Aφιερώνω αυτήν την εργασία στη μνήμη του πατέρα μου Ιωάννη Καλαντζή.

Κωνσταντίνα Καλαντζή

(6)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | vi

(7)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | vii

Περίληψη

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

(8)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | viii

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 (200-600⁰C) 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

(9)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | ix

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>375⁰C, 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).

Λέξεις-κλειδιά: αεριοποίηση, υπερκρίσιμο νερό, αεριοποίηση παρουσία υπερκρίσιμου νερού, υδροθερμική αεριοποίηση, βιομάζα, βιοκαύσιμα, βιοδιυλιστήριο, syngas, παραγωγή υδρογόνου, SCWG, καταλύτες, Νικέλιο, Ρουθήνιο, βιο-ενέργεια.

(10)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | x

(11)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xi

Abstract

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

(12)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xii

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 (200-600⁰C) 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>375⁰C, 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

(13)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xiii

(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).

Keywords: gasification; supercritical water; supercritical water gasification; hydrothermal gasification; biomass; biofuels; bio-refinery; syngas; hydrogen production; SCWG; catalysts;

Nickel; Ruthenium; bio-energy

(14)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xiv

(15)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xv

Πίνακας Περιεχομένων

Πρόλογος ... v

Περίληψη ... vii

Abstract ... xi

Πίνακας Περιεχομένων ... xv

1. Εισαγωγή - Μια συνοπτική ματιά της παρούσας κατάστασης ...1

1.1 Ορυκτά καύσιμα, Ενέργεια & Περιβαλλοντικά ζητήματα...3

1.2 Νομικό πλαίσιο για το κλίμα και την ενέργεια στην Ευρωπαϊκή Ένωση ... 11

1.3 Ο ρόλος της βιομάζας και της βιοενέργειας στην κυκλική βιο-οικονομία ... 15

Βιβλιογραφικές Αναφορές ... 25

2. Βιομάζα ως πηγή ενέργειας και Βιοκαύσιμα... 27

2.1 Βιομάζα και φωτοσύνθεση... 29

2.2 Κατηγοριοποίηση ειδών βιομάζας ... 37

2.3 Xημική σύσταση της βιομάζας ... 42

2.3.1 Σάκχαρα: Μονοσακχαρίτες και Πολυσακχαρίτες ... 46

2.3.2 Άμυλο ... 49

2.3.3 Κυτταρίνη ... 50

2.3.4 Ημικυτταρίνη ... 52

2.3.5 Λιγνίνη ... 53

2.3.6 Λιγνοκυτταρίνη ... 60

2.3.7 Βιολιπίδια: Λίπη & Έλαια ... 64

2.3.8 Πρωτεΐνες ... 67

2.3.9 Ανόργανα συστατικά: Τέφρα ... 68

2.4 Χαρακτηριστικά και ιδιότητες της βιομάζας ... 77

2.4.1 Φυσικές Ιδιότητες ... 82

2.4.1.1 Πυκνότητα ... 82

2.4.1.1.1 “Χύδην” πυκνότητα (bulk density) ... 82

2.4.2 Θερμο-χημικές Ιδιότητες... 83

(16)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xvi

2.4.2.1 Στοιχειακή Ανάλυση ... 84

2.4.2.2 Προσεγγιστική Ανάλυση ... 85

2.4.2.2.1 Υγρασία ... 86

2.4.2.2.2 Σταθερός άνθρακας ... 87

2.4.2.2.3 Τέφρα ... 89

2.4.2.2.4 Πτητικές ενώσεις... 90

2.4.2.3 Αναλογία κυτταρίνη/λιγνίνη ... 91

2.4.2.4 Θερμογόνος Δύναμη... 92

2.4.2.5 Άλλες Ιδιότητες της βιομάζας ... 95

2.5 Βιοκαύσιμα ... 97

2.5.1 Ιστορικά ορόσημα στην ανάπτυξη των βιοκαυσίμων... 97

2.5.2 Ορισμός Βιοκαυσίμων ... 106

2.5.3 Κατηγορίες Βιοκαυσίμων ... 108

2.5.4 Βιοκαύσιμα 1ης, 2ης & 3ης Γενιάς ... 110

2.5.5 Προηγμένα Βιοκαύσιμα (Advanced Biofuels)... 118

2.5.6 Βιομάζα, Βιοκαύσιμα και Θέματα Βιωσιμότητας ... 125

2.5.7 Εκπομπές GHG από βιοκαύσιμα & έμμεση αλλαγή χρήσης γης (ILUC) ... 131

2.6 Τα θετικά & τα αρνητικά της ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας... 137

3. Μέθοδοι αξιοποίησης της βιομάζας ... 151

3.1 Αξιοποίηση βιομάζας προς βιοενέργεια, βιοκαύσιμα & βιοπροϊόντα ... 153

3.2 Αξιολόγηση ειδών βιομάζας και επιλογή κατάλληλης μεθόδου μετατροπής ... 159

3.2.1 Θερμικές αναλύσεις... 165

3.2.2 Προσδιορισμός δεικτών ... 168

3.3 Προεπεξεργασία της βιομάζας ... 169

3.4 Επισκόπηση των μεθόδων μετατροπής βιομάζας ... 178

3.5 Βιοχημικές μέθοδοι μετατροπής ... 185

3.5.1 Όξινη και Ενζυμική Υδρόλυση (Acid and Enzymatic Hydrolysis) ... 185

3.5.2 Ζύμωση (Fermentation) ... 188

3.5.3. Αναερόβια χώνευση ... 192

(17)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xvii

3.6 Θερμοχημικές μέθοδοι μετατροπής ... 196

3.6.1. Καύση (Combustion) ... 199

3.6.2 Πυρόλυση (Pyrolysis) ... 201

3.6.3 Υγροποίηση (Liquefaction) ... 206

3.6.4 Αεριοποίηση (Gasification) ... 209

3.7 Σύγκριση της πυρόλυσης, της αεριοποίησης και της καύσης ... 214

3.8 Η έννοια του βιοδιυλιστηρίου ... 219

3.8.1 Περιγραφή – Ορισμός βιοδιυλιστηρίου ... 220

3.8.2 Ταξινόμηση των βιοδιυλιστηρίων (Classification of biorefinery concepts) ... 223

4. Αεριοποίηση: Θερμοχημική μετατροπή βιομάζας ... 239

4.1 Μια συνοπτική εικόνα της αεριοποίησης βιομάζας – Βασικές αρχές ... 241

4.1.1 Ιστορική εξέλιξη της αεριοποίησης ... 249

4.1.2 Σημαντικά εμπορικά πλεονεκτήματα της αεριοποίησης βιομάζας ... 253

4.1.3 Η αεριοποίηση σε αριθμούς ... 255

4.2 Η διεργασία της αεριοποίησης βιομάζας ... 256

4.2.1 Η βιομάζα ως τροφοδοσία αεριοποίησης ... 256

4.2.2 Χημεία της αεριοποίησης ... 260

4.2.3 Αντιδραστήρια αεριοποίησης ... 264

4.2.4 Τεχνολογίες αντιδραστήρων αεριοποίησης ... 269

4.2.4.1 Σταθερής κλίνης (FXB, fixed bed gasifiers) ... 273

4.2.4.2 Ρευστοποιημένης κλίνης (FB, fluidised bed gasifiers) ... 275

4.2.4.3 Εξαναγκασμένης ροής (EF, entrained flow gasifiers) ... 278

4.2.4.4 Aεριοποιητές πλάσματος (plasma flow gasifiers) ... 280

4.2.5 Επίδραση διαφόρων παραμέτρων στην απόδοση της διεργασίας αεριοποίησης ... 283

4.2.6 Αέριο αεριοποίησης: καθαρισμός και αναβάθμιση του προϊόντος αεριοποίησης για διάφορες εφαρμογές ... 289

4.2.7 Σχηματισμός Πίσσας: ένα σημαντικό πρόβλημα της αεριοποίησης ... 299

4.3 Σύγχρονες τάσεις στις τεχνολογίες αεριοποίησης βιομάζας ... 308

4.3.1 Aεριοποίηση πλάσματος (plasma gasification) ... 308

(18)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xviii

4.3.2 Aεριοποίηση παρουσία υπερκρίσιμου ύδατος (SCWG, super critical water gasification) ... 310

4.3.3 Άλλες τεχνολογίες αεριοποίησης ... 310

5. Καταλυτική αεριοποίηση βιομάζας παρουσία υπερκρίσιμου νερού ... 317

5.1 Μια συνολική εικόνα της αεριοποίησης βιομάζας παρουσία υπερκρίσιμου νερού ... 319

5.1.1 Γενικά για τις υδροθερμικές διεργασίες μετατροπής βιομάζας ... 319

5.1.2 Αεριοποίηση βιομάζας SCWG – Βασικές αρχές... 325

5.1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της διεργασίας SCWG ... 332

5.1.4 Σημαντικά βήματα στην ανάπτυξη της διεργασίας SCWG ... 336

5.2 Υποκρίσιμο και Υπερκρίσιμο νερό ... 349

5.2.1 Γενικά για τις ιδιότητες των υπερκρίσιμων ρευστών ... 349

5.2.2 Ιδιότητες του Υποκρίσιμου και Υπερκρίσιμου νερού ... 350

5.2.3 Ο ρόλος του υπερκρίσιμου νερού σε χημικές αντιδράσεις ... 355

5.3 Μετατροπή των κύριων συστατικών της βιομάζας σε υπο- και υπερκρίσιμο νερό ... 358

5.4 Τεχνολογία αεριοποίησης βιομάζας SCGW ... 368

5.4.1 Κύριες χημικές αντιδράσεις αέριας φάσης (Gasification chemistry)... 368

5.4.2 Προσέγγιση της διεργασίας SCWG: Θερμοδυναμικά και Kινητικά μοντέλα ... 370

5.4.3 Αντιδραστήρες διεργασίας SCWG ... 376

5.4.3.1 Καταλυτική δράση μεταλλικών τοιχωμάτων αντιδραστήρων SCWG... 383

5.4.4 Τεχνικά προβλήματα σε συστήματα αεριοποίησης SCWG ... 385

5.4.5 Επίδραση των λειτουργικών συνθηκών στα τελικά προϊόντα ... 390

5.4.6 Πιλοτικές μονάδες διεργασίας SCWG ... 398

5.5 Καταλύτες της διεργασίας αεριοποίησης βιομάζας SCWG ... 402

5.5.1 Oμογενείς Καταλύτες ... 407

5.5.1.1 Καταλύτες αλκαλίων (alkaline catalysts) ... 407

5.5.1.2 Μεταλλικοί καταλύτες (metal catalysts) ... 417

5.5.2 Ετερογενείς Καταλύτες ... 418

5.5.2.1 Eνεργός άνθρακας (activated carbon, AC) ... 420

5.5.2.2 Μεταλλικά οξείδια (metal oxides) ... 423

5.5.2.3 Kαταλύτες μετάλλων μετάπτωσης ... 428

(19)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xix

5.5.2.3.1 Καταλύτες Ρουθηνίου (Ru) ... 429

5.5.2.3.2 Καταλύτες Νικελίου (Ni) ... 433

5.5.2.4 Σκόνες & σύρματα μετάλλων ... 439

5.5.2.5 Καταλύτες Raney (skeletal catalysts) ... 441

5.6 Συγκριτικά πλεονεκτήματα και κύρια πεδία εφαρμογής της διεργασίας SCWG ... 447

6. Συμπεράσματα, Προκλήσεις & Προτάσεις ... 471

Παράρτημα ... 495

Κατάλογος Σχημάτων ... 495

Κατάλογος Πινάκων ... 502

(20)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | xx

(21)

Διπλωματική Εργασία Σελίδα | 1

1. Εισαγωγή - Μια συνοπτική ματιά της παρούσας κατάστασης

Εισαγωγή - Μια συνοπτική ματιά της παρούσας 1

κατάστασης

(22)

(23)

1.1 Ορυκτά καύσιμα, Ενέργεια & Περιβαλλοντικά ζητήματα

Από τη στιγμή της ανακάλυψης της φωτιάς και μετά, η ενέργεια και η ανθρώπινη ύπαρξη είναι άρρηκτα συνδεδεμένες. Ιδιαίτερα, από την περίοδο της έναρξης της Βιομηχανικής Επανάστασης μέχρι σήμερα, η ενέργεια θεωρείται ως ένα σημαντικότατο αγαθό τόσο για την επιβίωση και την εξέλιξη, όσο και για την ευημερία των σύγχρονων κοινωνιών σε παγκόσμιο επίπεδο. Η ανθρωπότητα, σε αυτόν τον συνεχή αγώνα για επιβίωση, εξέλιξη και ευημερία, στηρίχτηκε κατά κύριο λόγο στη χρήση/καύση ορυκτών καυσίμων, μιας και το κύριο βιομηχανικό μοντέλο ανάπτυξης είχε σχεδιαστεί και αναπτυχθεί πάνω στην εκμετάλλευση των ορυκτών πόρων (άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο). Όμως, η εκτεταμένη χρήση/καύση των ορυκτών καυσίμων προς παραγωγή ενέργειας, έγινε η αιτία να προκύψουν περιβαλλοντικά ζητήματα που μέσα στην πορεία των χρόνων, τείνουν να πάρουν σοβαρές έως επικίνδυνες διαστάσεις. Τα ζητήματα αυτά συμπεριλαμβάνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την ρύπανση του αέρα και των υδάτινων πόρων. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου με τις αυξημένες ανθρωπογενείς εκπομπές θερμοκηπικών αερίων GHG (greenhouse gases: CO2, N2O, CH4) και ειδικά οι εκπομπές CO2, οι οποίες παίζουν κύριο ρόλο στο φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής που απειλεί συνολικά τη ζωή στον πλανήτη, οδηγεί αναπόφευκτα σε μια γενικότερη θεώρηση της απεξάρτησης διαφόρων τομέων (πχ τομέα μεταφορών) από τη χρήση καυσίμων που οδηγούν σε εκπομπές CO2 (decarbonization).

Η κλιματική αλλαγή είναι ένα παγκόσμιο φαινόμενο και επηρεάζει το σύνολο των οικοσυστημάτων του πλανήτη. Ήδη βιώνουμε τις επιδράσεις του φαινομένου αυτού, και αν δεν εφαρμοστούν δραστικά μέτρα που θα μετριάσουν την έντασή του (climate change mitigation), έχουμε σαφείς ενδείξεις ότι πρόκειται να επηρεαστούν άμεσα τα θεμελιώδη για την επιβίωση: η διατήρηση και η διασφάλιση της υγείας, ο καθαρός αέρας, η παραγωγή επαρκούς ποσότητας ποιοτικής τροφής για να καλύψει τις ανάγκες του πληθυσμού της Γης και η ύπαρξη ενός καταλύματος σε έναν ασφαλή τόπο που θα επιτρέπει την ανάπτυξη και την ευημερία του. Κατά την εξελικτική πορεία της κλιματικής αλλαγής, αναμένονται:

 Αύξηση θερμοκρασίας του πλανήτη κατά 1,5-6⁰C τα επόμενα 50 χρόνια που σε αρκετές περιπτώσεις θα καταστεί ανυπόφορη και επιβαρυντική για την βιόσφαιρα (ανθρώπους, ζώα και φυτά), και ιδιαίτερα στις αστικές περιοχές.

(24)

Επίσης, θα επηρεαστεί η ανθοφορία και η ανάπτυξη των φυτών και των καλλιεργειών, με άμεσες συνέπειες σε διάφορα οικοσυστήματα και στην τροφική αλυσίδα.

 Αύξηση της θερμοκρασίας τόσο των επιφανειακών θαλάσσιων υδάτων αλλά και των ωκεανών. Αυτό επηρεάζει σημαντικά πολλούς θαλάσσιους οργανισμούς.

 Μείωση της απορρόφησης και δέσμευσης CO2 από τους ωκεανούς λόγω κορεσμού, και αλλαγή της οξύτητας των υδάτων (οξίνιση). Επηρεάζει την επιβίωση πολλών θαλασσιων οργανισμών και απειλεί τους κοραλλιογενείς ύφαλους.

 Τήξη των πάγων των αρκτικών ζωνών θα οδηγήσει σε άνοδο της στάθμης της θάλασσας κατά 0,5-1,5 m (ενισχύεται και από τη θερμική διαστολή του νερού). Θα υπάρξει σημαντική επίπτωση στις ακτογραμμές, που θα επηρεάσει στη συνέχεια την οικονομία και τον τουρισμό των παραθαλάσσιων περιοχών με αντίστοιχες συνέπειες στο βιοτικό επίπεδο των κατοίκων. Επίσης, από την τήξη αυτή, προκύπτει μειωμένη ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται η Γη προς το διάστημα.

 Διατάραξη του κύκλου βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων. Θα μετακινηθούν οι ζώνες βροχοπτώσεων από τον Ισημερινό προς τον βορρά, που θα οδηγήσει σε ερημοποίηση του κάτω τμήματος της εύκρατης ζώνης. Ως συνέπεια θα παρατηρηθούν αλλαγές στα είδη βλάστησης στις περιοχές αυτές, και στους πληθυσμούς τρωκτικών και εντόμων πιθανά να οδηγήσει σε έξαρση μολυσματικών ασθενειών (πχ δάγκειος πυρετός, νόσος του Lyme).

 Μεταβολή υδρολογικού κύκλου και ακόλουθη μείωση των υδάτινων πόρων, με συνέπειες σε καλλιέργειες και συνολικά σε όλη τη βλάστηση, ενώ κάποιο μέρος του παγκόσμιου πληθυσμού θα υποφέρει από λειψυδρία. Επίσης, θα επηρεαστούν και πολλές βιομηχανικές διεργασίες για την παραγωγή ενέργειας που απαιτούν σημαντικές ποσότητες νερού για να ολοκληρωθούν (ειδικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και βιοκαυσίμων [1]).

 Πολλαπλασιασμός της συχνότητας και της έντασης των ακραίων κλιματολογικών φαινομένων (τροπικές καταιγίδες, πλημμύρες, τυφώνες,

(25)

ξηρασίες, ακραίες θερμοκρασίες). Αυτό σημαίνει ότι θα μετατοπιστούν οι ευρύτερες περιοχές των καλλιεργήσιμων και δασικών ζωνών, με αποτέλεσμα να απειλείται η βιοποικιλότητα και να μετακινηθούν πληθυσμοί προκειμένου να επιβιώσουν. [6, 7]

Αδιαμφισβήτητα, η ταχεία ανάπτυξη διαφόρων οικονομιών και η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού οδηγούν σε ολοένα αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις. Οι δημογραφικοί παράγοντες θα συνεχίσουν να οδηγούν σε αλλαγές τόσο στις ενεργειακές απαιτήσεις όσο στο ενεργειακό μείγμα. Ο παγκόσμιος πληθυσμός αναμένεται να αυξηθεί από 7,0 δις (2011) σε 8,7 δις (2035), με κύριους εκπρόσωπους της πληθυσμιακής αύξησης την Αφρική και την Ινδία. Σύμφωνα με την Παγκόσμια Έκθεση για την Ενεργειακή Απόδοση WEO-2013 (World Energy Outlook) του οργανισμού IEA (International Energy Agency), υπάρχουν ακόμα 1,3 δις άνθρωποι που στερούνται πρόσβασης σε ηλεκτρική ενέργεια και 2,6 δις άνθρωποι που δεν διαθέτουν καθαρές εγκαταστάσεις για μαγείρεμα, οι οποίοι σε κάποιο βάθος χρόνου θα διεκδικήσουν το δικαίωμά τους να απολαμβάνουν το αγαθό της ενέργειας. Ο πληθυσμός της Κίνας μεταβάλλεται ελάχιστα λόγω των μέτρων που έχουν θεσπιστεί για τον έλεγχο γεννήσεων, ενώ γύρω στο 2025 η Ινδία θα γίνει η πιο πολυπληθής χώρα στον κόσμο. Οι περισσότερες χώρες του ΟΟΣΑ (OECD) βλέπουν μικρές αλλαγές στον πληθυσμό, με αξιοσημείωτη εξαίρεση τις ΗΠΑ, όπου θα παρατηρηθεί μια αύξηση περίπου 60 εκατομμυρίων ανθρώπων. Η παγκόσμια αύξηση του πληθυσμού συγκεντρώνεται εξ ολοκλήρου σε αστικές περιοχές. Προκειμένου να καλυφτούν αυτές οι ανάγκες και να υπάρξει ενεργειακή αυτάρκεια απαιτείται μέγιστη προσπάθεια από όλα τα πιθανά μέτωπα - μη συμβατικές και ανανεώσιμες πηγές – έτσι ώστε να διασφαλίζεται σταθερός ενεργειακός εφοδιασμός σε παγκόσμιο επίπεδο. Διαχρονικά, οι αναπτυσσόμενες οικονομίες είναι οι “συνήθεις ύποπτοι” για τις επιπρόσθετες ενεργειακές απαιτήσεις. Στην δεκαετία που διανύουμε είναι φανερό ότι η Κίνα είναι υπεύθυνη για τις συνεχώς αυξανόμενες παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις, όμως στην ερχόμενη δεκαετία μεταξύ 2020-30 τον κυρίαρχο ρόλο αναλαμβάνει η Ινδία ως ραγδαία αναπτυσσόμενη οικονομία (βλ Σχήμα 1.1). [4,5]

(26)

Χαρακτηριστικά αναφέρεται στην έκθεση WEO-2013 του οργανισμού IEA ότι οι δυνατότητες των νέων τεχνολογιών που αναπτύσσονται και οι προσπάθειες να υπάρξουν νέες διαθέσιμες πηγές ενέργειας, είναι η αιτία να γίνονται αισιόδοξα σενάρια και εκτιμήσεις, αλλά αυτό δεν σημαίνει με κανένα τρόπο ότι η ανθρωπότητα βρίσκεται στο κατώφλι μιας νέας εποχής όπου θα υπάρχει αφθονία πετρελαίου, γεγονός το οποίο είναι προφανές λόγω των μειωμένων αποθεμάτων πετρελαίου. Οι εκτιμήσεις προβλέπουν ότι τιμή του πετρελαίου θα ανέλθει σταδιακά σε τιμή $128 το βαρέλι μέχρι το 2035, αυτό το γεγονός και μόνο ωθεί την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών. Επίσης, επισημαίνεται το γεγονός ότι η παραγωγή μη συμβατικών καυσίμων και το υγροποιημένο φυσικό αέριο θα κληθούν να καλύψουν τις επιπλέον ενεργειακές απαιτήσεις, οι οποίες θα αυξηθούν από 14mb/d (million barrels/day) και θα ξεπεράσουν κατά πολύ το κατώφλι των 100mb/d μέχρι το 2035, ενώ η παραγωγή συμβατικού αργού πετρελαίου θα πέσει ελαφρά στα 65mb/d. Η ανάγκη να ισοσκελιστεί η μειωμένη παραγωγή των πετρελαιοπηγών που ήδη υπάρχουν και οι αυξανόμενες ανάγκες της πετροχημικής βιομηχανίας, είναι λοιπόν η κινητήριος δύναμη που θα οδηγήσει σε μεγάλες κεφαλαιακές επενδύσεις προς άλλες κατευθύνσεις, και όχι προς το πετρέλαιο και τα συμβατικά καύσιμα. [4]

Όσον αφορά στις εκπομπές CO2, οι παγκόσμιες εκπομπές CO2 από τη χρήση ορυκτών καυσίμων αυξήθηκαν σημαντικά από το 1900 (βλ Σχήμα 1.2). Ενώ για ένα πάρα πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα παρέμεναν περίπου σε επίπεδο 280ppm, από το 1970 και μετά οι

Σχήμα 1.1 Αύξηση των παγκόσμιων ενεργειακών απαιτήσεων έως το 2035. [5]

(27)

εκπομπές CO2 αυξήθηκαν κατά 90%, με τις εκπομπές από την καύση ορυκτών καυσίμων και τις βιομηχανικές διεργασίες να συμβάλλουν στο 78% περίπου των συνολικών εκπομπών θερμοκηπικών αερίων (μεταξύ 1970-2011), ενώ η αποψίλωση των δασών και οι αλλαγές στη χρήση γης ακολουθούν ως μεγαλύτεροι συντελεστές στην αύξηση των εκπομπών CO2. [10]

Το 2017 τα επίπεδα του ατμοσφαιρικού CO2 ξεπέρασαν το ιστορικό ορόσημο των 400ppmv [14]. Αυτή η τιμή είναι υψηλότερη από οποιαδήποτε χρονική στιγμή κατά τη διάρκεια των τελευταίων 670.000 ετών, και πιθανώς υψηλότερη από οποιαδήποτε στιγμή τα τελευταία 20 εκατομμύρια χρόνια, και οφείλεται κατά κύριο λόγο στις ανθρωπογενείς δραστηριότητες και κυρίως στην κατανάλωση ορυκτών καυσίμων. Ο ρυθμός αύξησης των ανθρωπογενών εκπομπών CO2 υπερδιπλασιάστηκε κατά την περίοδο 2000-2014 (2,5-2,7%

ετησίως), σε σχέση με την την περίοδο 1990-1999 (1,1% ετησίως ) [14]. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1.3, οι παγκόσμιες εκπομπές CO2 που σχετίζονται με την ενέργεια αυξήθηκαν κατά 1,4% το 2017 (σε σχέση με το 2016), σημειώνοντας αύξηση 460 εκ τόνων (Mt), και έφθασαν σε ιστορικό ύψος 32,5 Gt. Η αύξηση αυτή του 2017, παρατηρήθηκε μετά από τρία χρόνια σχεδόν σταθερών επιπέδων εκπομπών CO2, και έρχεται σε αντίθεση με τη δραστική μείωση που απαιτείται για την επίτευξη των στόχων της Διάσκεψης των Παρισίων για την κλιματική αλλαγή (Paris Agreement 2015). Η αύξηση των εκπομπών CO2, που ισοδυναμεί με τις εκπομπές 170 εκατομμυρίων επιπλέον αυτοκινήτων, ήταν αποτέλεσμα της ισχυρής

Σχήμα 1.2 Αύξηση των εκπομπών CO2 από τη χρήση ορυκτών καυσίμων. [10]

(28)

παγκόσμιας οικονομικής ανάπτυξης της τάξης του 3,7%, των χαμηλότερων τιμών ορυκτών καυσίμων και των μη ικανοποιητικών προσπαθειών για επίτευξη αυξημένης ενεργειακής απόδοσης (energy efficiency). Αυτοί οι τρεις παράγοντες συνέβαλαν στην αύξηση των παγκόσμιων ενεργειακών απαιτήσεων κατά 2,1% το 2017. [11]

Ωστόσο, η τάση αύξησης των εκπομπών δεν ήταν καθολική. Ενώ οι περισσότερες μεγάλες οικονομίες παρουσίασαν αύξηση των εκπομπών CO2, άλλες οικονομίες γνώρισαν μειώσεις όπως οι ΗΠΑ, το Ηνωμένο Βασίλειο, το Μεξικό και η Ιαπωνία. Η μεγαλύτερη μείωση προήλθε από τις ΗΠΑ, ενώ η πτώση μεταξύ 2016-2017 ήταν αποτέλεσμα της υψηλότερης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και η μείωση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, οι εκπομπές μειώθηκαν με τη μετατόπιση από τη χρήση γαιάνθρακα σε φυσικό αέριο και σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, και οδήγησαν σε μείωση της ζήτησης γαιάνθρακα κατά 19%. Στο Μεξικό, οι εκπομπές μειώθηκαν λόγω της μείωσης της χρήσης πετρελαίου και γαιάνθρακα, της αύξησης της αποτελεσματικότητας στο σύστημα ηλεκτροπαραγωγής, της ισχυρής αύξησης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με βάση τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και της ελαφράς αύξησης της συνολικής χρήσης φυσικού αερίου. Στην Ιαπωνία, οι εκπομπές μειώθηκαν λόγω της αύξησης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας που εκτόπισε τη χρήση ορυκτών καυσίμων και ειδικά του πετρελαίου. Συνολικά, οι ασιατικές οικονομίες αντιπροσώπευσαν τα δύο τρίτα της παγκόσμιας αύξησης των εκπομπών CO2. Η οικονομία της Κίνας αυξήθηκε σχεδόν κατά 7% πέρυσι, αλλά οι εκπομπές αυξήθηκαν μόλις κατά 1,7% (ή 150 Mt), χάρη στη συνεχιζόμενη ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την ταχύτερη μετάβαση χρήσης από γαιάνθρακα σε φυσικό αέριο. Στην Ινδία, η οικονομική ανάπτυξη αύξησε τις ενεργειακές απαιτήσεις και οδήγησε σε αύξηση εκπομπών. Οι εκπομπές στην Ευρωπαϊκή Ένωση αυξήθηκαν κατά 1,5%, προσθέτοντας σχεδόν 50 MtCO2, ακυρώνοντας μέρος της προόδου που είχε σημειωθεί τα τελευταία χρόνια, κυρίως λόγω της ισχυρής ανάπτυξης της χρήσης πετρελαίου και φυσικού αερίου. Οι οικονομίες της Νοτιοανατολικής Ασίας συνέβαλαν επίσης στην αύξηση των εκπομπών, με την Ινδονησία να οδηγεί σε αύξηση εκπομπών κατά 4,5% σε σχέση με το 2016. [11] Πάντως, σύμφωνα με το Σχήμα 1.4 οι προβλέψεις δεν είναι ευοίωνες [5].

(29)

Προκειμένου να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα, ο τομέας της ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές (ηλιακή, υδροηλεκτρική, αιολική, και ενέργεια που παράγεται από κατάλληλη αξιοποίηση βιομάζας) έχει κερδίσει το διεθνές ενδιαφέρον, παράλληλα με την ανάπτυξη τεχνολογιών για τη δέσμευση CO2 και την περαιτέρω αξιοποίηση/χρήση του CCUS (carbon dioxide capture, usage & storage). Μάλιστα η παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές παρουσιάζει σταθερή ανοδική πορεία ως η μόνη ουσιαστική εναλλακτική πρόταση σε μια σειρά ζητημάτων που έχουν ανακύψει από

Σχήμα 1.3 Αύξηση των παγκόσμιων εκπομπών CO2 από την παραγωγή ενέργειας. [11]

Σχήμα 1.4 Πρόβλεψη ΙΕΑ, WEO-2013: αύξηση κατά 20% των εκπομπών CO2 από την παραγωγή ενέργειας μέχρι το 2035, που θα προέλθει από χώρες που δεν ανήκουν στον ΟΟΣΑ (OECD) που θα οδηγήσει σε αύξηση

της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας κατά 3,6⁰C . [5]

(30)

την χρήση των ορυκτών καυσίμων. Τέτοια είναι: οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών και ειδικά σε καύσιμα μεταφοράς, η μεταβαλλόμενη τιμή διάθεσης των ορυκτών καυσίμων (καθορίζεται από τους νόμους αγοράς - προσφοράς και ζήτησης, αλλά επηρεάζεται και από άλλους παράγοντες όπως εποχικότητα, διαθεσιμότητα μονάδων διύλισης σε περιόδους υψηλής ζήτησης, γεωπολιτικοί συσχετισμοί, στρατιωτικές/πολιτικές επεμβάσεις κλπ), τα μειωμένα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων που θα έχουν ως επακόλουθο έχουν τη συνεχώς αυξανόμενη τιμή τους, και οι σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη χρήση των ορυκτών καυσίμων σε παγκόσμιο επίπεδο. Αυτό αποτυπώνεται εύγλωττα στο Σχήμα 1.5, όπου φαίνεται ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καλύπτουν ολοένα και μεγαλύτερο ποσοστό των συνολικών παγκόσμιων ενεργειακών απαιτήσεων.

Επενδύοντας σε τεχνολογίες που αφορούν στην κατάλληλη αξιοποίηση της βιομάζας ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας, η προσδοκία της παγκόσμιας κοινότητας είναι να υπάρξει αφθονία τροφίμων, βιοκαυσίμων και χημικών προϊόντων που θα προέλθει

Σχήμα 1.5 Αύξηση ποσοστού της παγκόσμιας ενέργειας που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές σε σύγκριση με τη συνολική κατανάλωση ενέργειας. [8]