A’ ύλη ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ “ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ” Β10. Βιόμαζα (Βιοενέργεια) A’ ύλη

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

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 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

Glucose Wikipedia

Σακχαρόζη - Sucrose Glucose Fructose Wikipedia

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 ~ 17 MJ/kg

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 ~ 16 MJ/kg

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 ~ 21 MJ/kg

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), 719-725 (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?: YES! Any pretreatment enhancing accessibility 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…. Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ !!!!!!!

Λιγνοκυτταρινούχα!! Άχυρα! 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 CI 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March

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

Bioresource Technology 35 (1991) 297-300

Α΄ύλη Σακχαρούχα

Wikipedia

Σακχαρούχο Σόργο (Γλυκό)

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

Πολτός σακχαρότευτλου

Total insoluble sugars (Average of 4 replications ±SD) Component Chemical composition (%) Cellulose 24.6±0.4 Hemicellulose 27.9±0.3 Lignin 2.6±0.2 Ash 3.5±0.2 Crude fibres 23.5±0.2 Fat 1.5±0.3 Total insoluble sugars 65.0±0.5 Total pectines 10.5±0.3 Total proteins (N2x6.25) 9.6±0.2 Sugar Beet Pulp Chemical composition of untreated sugar beet pulp (SBP) in % dry weight basis (Average of 4 replications ±SD) Moisture content = 10% already mechanically pretreated! Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

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. 199-206, 1991

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

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

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

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

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

E.G. Koukios, “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)

Van Krevelen diagrams Van Krevelen diagrams are graphical plots developed by Dirk Willem van Krevelen (chemist and professor of fuel technology at the TU Delft) and used to assess the origin and maturity of kerogen and petroleum. The diagram cross-plots the hydrogen:carbon (hydrogen index) as a function of the oxygen:carbon (oxygen index) atomic ratios of carbon compounds. Different kinds of organic matter are more likely to produce oil during thermocatalytic maturation than other types: Algae, type 1, H-rich, O-poor, tend to make good oils. Trees and other woody vegetation are made of type 3 organic matter, O-rich, H-poor, and are sources of coal and gas. This diagram is mostly used for differentiating different types of kerogen. Wikipedia

Van Krevelen diagrams Wikipedia

E.G. Koukios,“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)

E.G. Koukios,“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)

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Βιόμαζα σε Η2 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!! ΠΡ ΗΛΙΕΛΑΙΟ ΕΛ ΕΛΑΙΟ-ΠΥΡΗΝΟΞΥΛΟ ΛΚ & ΕΛ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΕΛΑΙΟΥΡΓΕΙΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: LEMNA MINOR ΠΡ ΗΛΙΕΛΑΙΟ ΕΛ ΕΛΑΙΟ-ΠΥΡΗΝΟΞΥΛΟ ΛΚ & ΕΛ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΕΛΑΙΟΥΡΓΕΙΩΝ ΕΛ & ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟ ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: ΣΑΚΧΑΡΟΤΕΥΤΛΟ ΛΚ & ΣΚΧ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: ΧΑΡΟΥΠΙΑ