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

ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ/ΒΙΟΜΑΖΑ Σύσταση Προκατεργασίες

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

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

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

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

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

Wikipedia Glucose

Wikipedia Σακχαρόζη - Sucrose Glucose Fructose

Άμυλο (starch) Wikipedia

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

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

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

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

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

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

Ημικυτταρίνη Wikipedia

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

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

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

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

Βιόμαζα = O κύβος του Rubik Wikipedia

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

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

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

ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ !!!!!!!

Λιγνοκυτταρινούχα!! Άχυρα!

Άλεση 1 Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Κρυσταλλικότητα ~ σταθερή

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

Άλεση 2 Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Κρυσταλλικότητα ελαττώνεται

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

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

Bioresource Technology 35 (1991)

Α΄ύλη Σακχαρούχα

Wikipedia

Σακχαρούχο Σόργο (Γλυκό)

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

Πολτός σακχαρότευτλου

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!

Straw prepyrolysis (torrefaction)

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)

Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp , 1991

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

“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 (ed. A.V. Bridgwater, 1993)

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

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

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

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