Biomass feedstock ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ “ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ” Β10. Βιόμαζα (Βιοενέργεια) E. Koukios, Professor, BTU Leader D.

Παρουσίαση με θέμα: "Biomass feedstock ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ “ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ” Β10. Βιόμαζα (Βιοενέργεια) E. Koukios, Professor, BTU Leader D."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Biomass feedstock ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ “ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ” Β10. Βιόμαζα (Βιοενέργεια) E. Koukios, Professor, BTU Leader D. Koullas, Dr. Chem. Engineer L. Karaoglanoglou, Dipl. Chem. Engineer, PhD Candidate & Other BTU Research Team members School of Chemical Engineering, NTUA, GR koullas@chemeng.ntua.gr

2 ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ/ΒΙΟΜΑΖΑ Σύσταση Προκατεργασίες

3 ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ/ΒΙΟΜΑΖΑ Από οικοσυστήματα: Χερσαία Υδατικά (μικροφύκη, μακροφύκη, κτλ...)

4 ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ/ΒΙΟΜΑΖΑ Προέλευση (χερσαία): Φυτική Ζωική Υπάρχον υπόλειμμα: γεωργία, δάση, (αγρο)βιομηχανικό,... Φυτό ενεργειακής καλλιέργειας

5 ΧΕΡΣΑΙΑ ΦΥΤΙΚΗ ΒΙΟΜΑΖΑ Προέλευση: Δασική Αγροτική Αστική Βιομηχανική Άλλη Σύσταση (οργανική): Σακχαρούχα Αμυλούχα Λιγνινοκυτταρινούχα Ελαιούχα Πρωτεϊνούχα Άλλα (π.χ. πηκτίνες) Νερό Τέφρα (ανόργανη)....

6 So… Raw materials categories: a) Simple Sugars, b) Starch c) Lignocellulosics Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

7 Examples: Sugar beet, sugar cane and industrial residues, etc. potato, potato residues etc., i.e. agro- industrial residues straw (wheat, barley, corn, etc) stems, residues, not the food crop! and… Energy crops i.e. sweet sorghum Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

8 Wikipedia Glucose

9 Wikipedia Σακχαρόζη - Sucrose Glucose Fructose

10 Άμυλο (starch) Wikipedia

11 Άμυλο Υδατάνθρακας (6 C) Γραμμικό πολυμερές (α-γλυκοζιτικός δεσμός) Εύπεπτο από τον άνθρωπο (τρόφιμο!!!!) (οξέα στομάχου, ένζυμα-αμυλάσες) Αλεύρι!!

12 Κυτταρίνη Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

13 Κυτταρίνη Υδατάνθρακας (πολυσακχαρίτης, 6 C) Γραμμικό πολυμερές (β-γλυκοζιτικός δεσμός) Πολύ μακρύ μόριο (μεγάλος βαθμός πολυμερισμού) Μη εύπεπτο από τον άνθρωπο (ανεπαρκείς συνθήκες με οξέα στομάχου, έλλειψη ενζύμων-κυτταρινάσες) Βαμβάκι!! Φύση: αντίσταση Γενικά αδρανής σε βάσεις, προσβάλλεται από οξέα

14 Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

15 Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

16 Ημικυτταρίνη Υδατάνθρακας (5 C ή 6 C) Πολυμερές, κυρίως γραμμικές αλυσσίδες με διακλαδώσεις Μικρότερου μήκους αλυσσίδες απότι της κυτταρίνης (βαθμός πολυμερισμού) Όχι μόνο ενός είδους το μονομοερές σάκχαρο

17 Ημικυτταρίνη Wikipedia

18 Λιγνίνη Υδρογονάνθρακας 3-διάστατος Συμπολυμερές μονάδων φαινυλο-προπανίου Με επιπλέον δεσμούς σε διατιθέμενα ενεργά κέντρα Συνδετική κόλλα (... Μπετόν αρμέ) Φύση: περαιτέρω αντίσταση Γενικά αδρανής σε οξέα, προσβάλλεται από βάσεις

19 Λιγνίνη - Lignin Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

20 Thermal Analysis of Lignin Cellulose Chem. Technol., 40 (9-10), 719-725 (2006) και δίκτυο EUROLIGNIN

21 LHC complex Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

22 Βιόμαζα = O κύβος του Rubik Wikipedia

23 ΑΞΙΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΤΜΗΜΑ ΤΗΣ Α’ ΥΛΗΣ Πολυπλοκότητες και ρίσκα (τεχνικά, οικονομικά, περιβαλλοντικά/οικολογικά, κοινωνικά/ηθικά) Κάποιο(α) συστατικό(ά) της μετατρέπονται σε βιοκαύσιμο ή βιοενέργεια... Ενδιαφέρουν υδατάνθρακες (απλοί ή πολυμερή) και ενίοτε η λιγνίνη

24 Don’t forget physico-chemistry of the raw material: Structure (order … cellulose crystallinity) Specific surface area (SSA) -pores Ligno-cellulose-hemicellulose (LCH) complex (sugars surrounded) Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

25 Upstream needs?: Particle size reduction/SSA increase (milling, grinding) Disordering (crystallinity index decrease) Get rid of unnecessary or harmful components (e.g. lignin, i.e. delignification) Others…. YES! Any pretreatment enhancing accessibility Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

26 ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ !!!!!!!

27 Λιγνοκυτταρινούχα!! Άχυρα!

28

29 Άλεση 1 Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Κρυσταλλικότητα ~ σταθερή

30 Role of SSA 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March

31 Άλεση 2 Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Κρυσταλλικότητα ελαττώνεται

32 Size-SSA-Crystallinity 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March SSA CI

33 Απομάκρυνση λιγνίνης Βαθμός Απολιγνίνωσης: Με χημικά !!!!!!!

34

35

36

37

38 Bioresource Technology 35 (1991) 297-300

39

40 Α΄ύλη Σακχαρούχα

41 Wikipedia

42 Σακχαρούχο Σόργο (Γλυκό)

43 Ο Ρόλος της Εποχικότητας Process Biochemistry Vol. 31, No. 4, pp. 377-381, 1996 ΧΧ+1

44 Πολτός σακχαρότευτλου

45 Sugar Beet Pulp Chemical composition of untreated sugar beet pulp (SBP) in % dry weight basis (Average of 4 replications ±SD) Moisture content = 10% Component Chemical composition (%) Cellulose24.6±0.4 Hemicellulose27.9±0.3 Lignin2.6±0.2 Ash3.5±0.2 Crude fibres23.5±0.2 Fat1.5±0.3 Total insoluble sugars65.0±0.5 Total pectines10.5±0.3 Total proteins (N 2 x6.25) 9.6±0.2 Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 already mechanically pretreated!

46 Straw prepyrolysis (torrefaction)

47 Μπορεί να συνιστά προκατεργασία με εκροή αναβαθμισμένο βιοκαύσιμο, ή Μπορεί να θεωρηθεί ως η κυρίως (θερμοχημική) μετατροπή Θέρμανση αχύρου σε χαμηλές θερμοκρασίες με/χωρίς πίεση και πιθανόν με Ν (περιορισμένη αποικοδόμηση, μικρές απώλειες)

48 Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp. 199-206, 1991

49

50

51

52

53 Thermochemical densification of LHC Θερμοχημική δράση σε συνδυασμό με μηχανική πίεση προκατεργασία (παραγωγή αναβαθμισμένου στερού καυσίμου), ή η κυρίως (θερμοχημική) μετατροπή

54 “Progress in Thermochemical, Solid-state refining of Biofuels – From Research to Commercialization”, in Int’l Conf. Proc. “Advances in Thermochemical Conversion”, 11-15/5/1992, Interlaken, Switzerland, pp 1678-1692 (ed. A.V. Bridgwater, 1993)

55

56

57

58 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Βιόμαζα σε Η 2 Α: Α1, Α2, Α3, Α4 Β: ??? Γ: Υδρογόνο Carb = % υδατάνθρακες/σάκχαρα (Carbohydrates), DM = % περιεκτικότητα σε στερεά/ξηρασία (Dry Matter)

59 Alternative Biomass-to-Hydrogen Pathways High Carb– Low DM: (Α1) Biomass ->.... -> BioH2 High Carb – High DM: (Α2) Biomass ->......-> H2 Low Carb – Low DM: (Α3) Biomass ->.... -> H2 Low Carb – High DM: (Α4) Biomass ->...... -> H2

60 Alternative Biomass-to-Hydrogen Pathways High Carb – Low DM: Biomass -----> BioH2 (HYVOLUTION) High Carb – High DM: Biomass -> Bioethanol -> Reforming -> H2 Low Carb – Low DM: Biomass -> Biogas -> Reforming -> H2 Low Carb – High DM: Biomass -> Thermo- chemical Gasification -> H2

61 Εσείς!! MiscanthusΛΚ ΑΧΥΡΑ ΣΙΤΗΡΩΝΛΚ ΣΤΕΛΕΧΗ ΒΑΜΒΑΚΙΑΣΛΚ ΕΛΑΙΟ-ΠΥΡΗΝΟΞΥΛΟΛΚ ΔΑΣΙΚΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑΛΚ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: ΣΟΡΓΟΛΚ & ΣΚΧ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: ΚΑΛΑΜΙΑΛΚ