Ολοκληρωμένη τεχνική, οικονομική και περιβαλλοντική διερεύνηση του κύκλου ζωής για την παραγωγή και χρήση βιο-υδρογόνου στην Ελλάδα

Abstract

The focus of the research of this thesis is on building feasible and sustainable biomass-to-biological hydrogen integrated systems, consisting of primary production - transport and handling – refining supply chains. Insuring the feasible and sustainable process configuration in all steps of the feedstock flow, from its photosynthetic production all the way to its bioconversion, will be one of the critical issues determining the future of biofuels within a Bio- Economy, by affecting the deployment of biofuels into the fuel and energy markets. Therefore, the present thesis aims first to identify the crucial parameters at all stages of the feedstock flow, then to quantify their impact on the overall system’s performance, efficiency and viability, and finally formulate appropriate decision-support tools for the synthesis and design of the best possible biosystem structures and biomass pathways. At the base level, the parameters affecting the cost-effectiveness and sustainability of the feedstock production are recognized and assessed for several biomass types. These data are then combined to develop feasibility and sustainability indices, which are used and validated in appropriate scenarios, taking into consideration these parameters as inputs and comparing the “maximum profit” approach with the “best practices” for biomass-to-biofuel production pathway. Ranking of several biomass-to-bioH2 pathways, based on these indices becomes possible. Additional correction factors, which will weigh the influence of each parameter on the total system performance, are also discussed. The developed index-based, performance assessing approach is applied in two typical EU regions, with different socio-economic profiles, for the case of two step bioconversion processes, i.e., one in EU’s “Rural South” (Thessaly, GR), and the other in EU’s “Industrial North” (Zuid Holland, NL). The development of a simple decision-making tool, based on the feasibility and sustainability comparison of several biomass-to-bioH2 pathways, considering the broadest possible spectrum of parameters, constitutes the innovative element proposed by the present work. This tool in combination with data on biomass availability, technical suitability for the particular bioprocess, and the local/regional conditions and markets, will provide a sound basis for reliable policy making and efficient design processes.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε ο σχεδιασμός βιώσιμων και αειφόρων αλυσίδων παραγωγής βιοκαυσίμων μεταφορών από βιόμαζα με εστίαση στην παραγωγή βιο-υδρογόνου, οι οποίες αφορούν στην πρωτογενή παραγωγή της βιόμαζας, την εφοδιαστική τους αλυσίδα αλλά και την προκατεργασία των πρώτων υλών μέχρι την πύλη της μονάδας βιομετατροπής. Στόχο της μελέτης αποτέλεσε η ανάγκη για δυναμική είσοδο των βιοκαυσίμων μεταφορών στις ενεργειακές αγορές και την βιο-οικονομία. Για το λόγο αυτό μελετήθηκαν και ανιχνεύτηκαν όλες οι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν την αλυσίδα αυτή σε επίπεδο αειφορίας και σχεδιάστηκαν μοντέλα – εργαλεία, τα οποία αντιπροσωπεύονται τόσο από ένα μοναδικό για κάθε μελετούμενο σύστημα δείκτη κόστους και δείκτη αειφορίας, ενώ συνοδεύονται από αριθμό χαρτών – διαγραμμάτων, που οπτικά μπορούν κατά πολύς να φανούν ιδιαίτερα χρηστικά στην εύκολη και γρήγορη επιλογή ή απόρριψη συστημάτων, αλλά και τη διάκριση προβληματικών μη βιώσιμων παραμέτρων που χρήζουν περαιτέρω μελέτης και βελτίωσης.Αρχικά επιλέχθηκαν παράμετροι που επηρεάζουν την παραγωγή βιόμαζας σε οικονομικό επίπεδο και επίπεδο αειφορίας, μέσα από την μελέτη δεκάδων σεναρίων αλυσίδων παραγωγής βιοκαυσίμων μεταφορών από μεγάλο αριθμό επιλογής πρώτων υλών βιόμαζας. Μέσα από την έρευνα αυτή, δημιουργήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα για την δημιουργία δεικτών υπολογισμού βιωσιμότητας των πρώτων υλών, οι οποίοι ουσιαστικά αξιολογήθηκαν μέσα από την μελέτη πολλαπλών σεναρίων και χρησιμοποιήθηκαν σε επόμενο στάδιο σαν εισαγωγικά δεδομένα στην μελέτη εκ νέου σεναρίων που είχαν βάση τη σύγκριση «πρακτικών» χρήσης βιοκαυσίμων μεταφορών. Η ποσοτικοποίηση και εξαγωγή δεικτών για πολλαπλά σενάρια για την παραγωγή βιο-υδρογόνου σαν παράδειγμα παραγωγής και χρήσης βιοκαυσίμου μεταφορών, τόσο στον βιομηχανικό βορρά όσο και στον αγροτικό νότο της Ευρώπης μπόρεσε να πραγματοποιηθεί με ιδιαίτερα καλά και αξιόπιστα αποτελέσματα, ενώ παράμετροι διορθωτικές ή και βαρύτητας μπορούν να βελτιώσουν περεταίρω τα υπολογιστικά μοντέλα.Η δημιουργία απλών εργαλείων για την μελέτη τόσο περίπλοκων αλυσίδων παραγωγής βιοκαυσίμων μεταφορών από βιόμαζα, σε επίπεδο μελέτης βιωσιμότητας και αειφορίας των συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων όσο το δυνατόν περισσότερων παραμέτρων, στα πλαίσια της απλότητας, καθιστά την καινοτομία της συγκεκριμένης διατριβής. Τα εργαλεία που δημιουργήθηκαν σε συνδυασμό με τη διαθεσιμότητα της βιόμαζας, την τεχνική της καταλληλότητα αλλά και τις εκάστοτε τοπικές ιδιαιτερότητες εφαρμογής των συστημάτων και τις αγορές, μπορούν να παρέχουν μια ισχυρή και αξιόπιστη βάση για τη λήψη αποφάσεων και τον σχεδιασμό διαδικασιών και διεργασιών.