Ενεργειακή κατανάλωση και φαινόμενο του θερμοκηπιου

Συμπαραγωγή βιοπλαστικών και βιοκαυσίμων

Η αυξανόμενη ανησυχία των τελευταίων ετών ,για την υπερθέρμανση του πλανήτη αλλά και για την περαιτέρω αύξηση της τιμής του πετρελαίου ,με παράλληλη μείωση της παγκόσμιας παραγωγής του (θεωρία του peak oil) προκαλεί το έντονο ενδιαφέρον της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας για την ανάπτυξη τεχνολογιών ,που θα παράγουν χημικά και καύσιμα από ανανεώσιμες πηγές πρώτων υλών.
Προχωρώντας προς την αξιοποίηση πρώτων υλών βιολογικής προέλευσης έχει αρχίσει να αναπτύσσεται μια νέα τεχνολογία ,αντίστοιχη των συμβατικών διϋλιστηρίων πετρελαίου , η οποία εφαρμόζεται στα λεγόμενα βιοδιϋλιστήρια. Στόχος των νέων αυτών πολυδύναμων αυτών εργοστασίων είναι η όσο το δυνατόν πολύπλευρη και σε μέγιστο βαθμό μετατροπή της βιομάζας σε πολυάριθμα προϊόντα. Αυτό γίνεται εφικτό χάρη στην τεχνολογική αξιοποίηση (χημική και βιολογική) της φυσικής πολυπλοκότητας της βιομάζας αλλά και των διαφορών των συστατικών της.
Στις γραμμές που ακολουθούν παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αναλύσεων , που έχουν γίνει μέχρι πρόσφατα (2008), αναφορικά με την συνεισφορά των βιοπλαστικών στην μείωση της εκπομπής αερίων θερμοκηπίου αλλά και στην ενεργειακή εξοικονόμηση.
Η μελέτη στηρίζεται σε βιοδιϋλιστήριο που δέχεται σαν πρώτη ύλη βιομάζα καλαμποκιού και παράγει αφενός μεν αιθανόλη σαν βιοκαύσιμο , αφετέρου δε και βιοπλαστικά , συγκεκριμένα πολυεστέρες υδροξυκαρβονικών οξέων (PHA).
Η βιομάζα καλαμποκιού που χρησιμοποιείται ,δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα μεγάλο μέρος των υπολειμμάτων φύλλων και κορμών του φυτού ,που παραμένει στον αγρό μετά τη συγκομιδή του καρπού. Από τη συνολική βιομάζα ένα ποσοστό 40% αφήνεται επιτόπου στον αγρό , για λόγους που η δυναμική καλλιέργεια της μέγιστης απόδοσης επιτάσσει , ενώ το υπόλοιπο 60% μεταφέρεται στα βιοδιϋλίστήρια.
Η εμπορική της τιμή ,που είναι σε χαμηλά επίπεδα και η περιεκτικότητα της σε κυτταρίνη και λιγνίνη , που είναι πολύ πιο υψηλή έναντι αυτής του ίδιου του καρπού του φυτού , την καθιστούν μια άριστη πρώτη ύλη. Άλλα ποικίλα φυτικά συστατικά της , που παραμένουν στα απόνερα των διαφόρων διεργασιών του βιοδιϋλιστηρίου, όταν δεν αξιοποιούνται αυξάνουν το κόστος διαχείρισης τους σύμφωνα με τα νέα περιβαλλοντικά πρότυπα.
Οι PHA πολυεστέρες είναι άριστες αποταμιευτικές ουσίες άνθρακα και ενέργειας. Είναι δε φυσικά προϊόντα που συντίθενται από ανθρακούχα υποστρώματα με τη βοήθεια βακτηρίων , κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες καλλιέργειας. Σαν πλαστικά οι PHA πολυεστέρες επιδεικνύουν ένα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων που κυμαίνονται από πλαστικότητα μεγάλης ακαμψίας και αντοχής μέχρι ελαστικότητα υψηλής ευκαμψίας.
Η «πράσινη» βιοπαραγωγή των PHA αξιοποιήθηκε και προωθήθηκε εμπορικά στις αρχές της δεκαετίας του 1990 με ζύμωση μείγματος γλυκόζης και οργανικών οξέων από καλλιέργεια βακτηρίων.
Οι πρώτες μελέτες που είχαν γίνει τότε έδειχναν πως η παραγωγή των βιοπολυεστέρων με ζύμωση υδατανθράκων βιομάζας καλαμποκιού από μικροοργανισμούς δεν ήταν βιώσιμος. Ο λόγος ήταν κύρια η υψηλή απαίτηση της όλης διεργασίας σε ενέργεια, γεγονός που καθιστούσε την όλη μεθοδολογία μη ανταγωνιστική έναντι της αντίστοιχης συμβατικής που χρησιμοποιούσε πετροχημικά. Ο έντονα ενεργοβόρος χαρακτήρας της όλης βιοδιεργασίας ,δεν οφειλόταν μόνο στα μεγάλα ποσά ενέργειας ,που απαιτούσε η καλλιέργεια των βακτηρίων, αλλά και στην ενεργειακή απαίτηση τόσο της καλλιέργειας του καλαμποκιού όσο και του σταδίου της υγρής κατεργασίας-εξευγενισμού (wet milling) της βιομάζας του καλαμποκιού. Τελευταίες έρευνες όμως ,έδειξαν ότι η νέα αυτή βιοτεχνολογική παραγωγή πλαστικών έχει «πράσινο» προφίλ ,τόσο όσον αφορά τις ενεργειακές απαιτήσεις σε ορυκτά καύσιμα αλλά και όσον αφορά τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου ,έναντι πάντα της αντίστοιχης πετροχημικής εναλλακτικής λύσης.
Τα αλληλοσυγκρουόμενα αποτελέσματα οφείλονται πιθανώς σε διαφορετική οικονομική ανάλυση (inventory analysis) , διαφορετικές πρώτες ύλες αλλά και διαφορετικές τεχνικές εκτιμήσεις και προϋποθέσεις. Σε κάθε περίπτωση η συμπαραγωγή από βιοδιϋλιστήριο , PHA βιοπλαστικών και αιθανόλης σαν βιοκαύσιμο , είναι μια νέα τεχνολογική προσέγγιση και χρήζει προσεκτικής εξέτασης.

Η εκτίμηση κύκλου ζωής προϊόντος (lca)

Η αποτίμηση κύκλου ζωής προϊόντος (LCA :Life Cycle Assessment) είναι μια καθορισμένη μέθοδος ποσοτικής μέτρησης των περιβαλλοντικών συνεπειών των παραγόμενων προϊόντων.
Οι παράγοντες εκπομπής είναι χρήσιμα και βασικά εργαλεία της LCA και ορίζονται σαν ποσότητες αερίων θερμοκηπίου , που ελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα για κάθε ένα κιλό παραγόμενου προϊόντος. Το βασικότερο και πρώτο σε ποσότητες εκπεμπόμενο αέριο θερμοκηπίου είναι το διοξείδιο του άνθρακα. Το μεθάνιο όμως και το υποξείδιο του αζώτου (Ν2Ο) είναι δύο αέρια που προκαλούν μεγαλύτερες αλλαγές ανά μόριο στο κλίμα του πλανήτη απ’ ότι προκαλεί το CO2. Όλοι οι παράγοντες εκπομπής όμως συνηθίζεται να μετρούνται σε ισοδύναμες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα (CO2-e ).Έτσι μπορεί εύκολα να γίνει συγκριτική μελέτη αφού το CO2 λειτουργεί σαν κοινό μέτρο για όλες τις εκπομπές αερίων.
Από την άλλη η επιλογή της βιομάζας καλαμποκιού για την εν λόγω ανάλυση έγινε λόγω των πολλών ποσοτικών δεδομένων που υπάρχουν διαθέσιμα για αυτή την πρώτη ύλη βιολογικής προέλευσης.
Τέλος η ανάλυση εκτιμά τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου καθώς και τις ενεργειακές απαιτήσεις σε όλους τους τομείς των επιμέρους δραστηριοτήτων , από την συνολική καλλιέργεια του καλαμποκιού , στη συνέχεια την συλλογή της βιομάζας στον αγρό , την μεταφορά της και τέλος την επεξεργασία της από το βιοδιϋλιστήριο.

Βιοδιυλιστήριο παραγωγής αιθανόλης και PHA

Η όλη μεθοδολογία του εργοστασίου στηρίζεται στην όξινη υδρόλυση της βιομάζας του καλαμποκιού , στην ενζυματική ζύμωση για παραγωγή σακχάρων από τα φυτικά υπολείμματα (φύλλα-κορμός) , στην αλκοολική ζύμωση και τέλος στην απόσταξη.
Παράλληλα με την παραγωγή 20.000 m3 στο βιοδιϋλιστήριο παράγονται και 26.000 τόνοι ζαχαροπολτού (black syrup) το οποίο χρησιμοποιείται για την παραγωγή των βιοπλαστικών.
Το παρακάτω διάγραμμα ροής (Ι) δείχνει όλη την διαδικασία για την παραγωγή των PHA από την ηλιακή ενέργεια και το CO2 έως την έξοδο από το εργοστάσιο (cradle to factory gate).

Διάγραμμα ροής Βιοδιυλιστηρίου

Πολλές ενώσεις που περιέχονται στο ζαχαροπολτό (black syrup) , όπως οξικό οξύ , φουρφουράλη , φαινόλες , και γλυκόζη μπορούν να μεταβολιστούν από βακτήρια όπως η RalstoniaEutrophaγια παραγωγή PHA πολυμερών. Αντίθετα τα βακτήρια δεν μεταβολίζουν οργανικά υπολείμματα σαν τη ξυλόζη και διάφορους ολιγοσακχαρίτες. Ο ζαχαροπολτός που προκύπτει , μετά την έξοδο του από τη μονάδα απόσταξης της αιθανόλης , περιέχει ποσότητα στερεών που δεν μπορούν να αξιοποιηθούν. Παρόλα αυτά η απόδοση της όλης διαδικασίας μπορεί να αυξηθεί σημαντικά , αν γίνει αναερόβια επεξεργασία του ζαχαροπολτού , πριν την είσοδο του στη μονάδα της βιοκαλλιέργειας. Τότε ένα μεγάλο ποσοστό των στερεών του , μετατρέπονται σε κατάλληλο υπόστρωμα , που μπορεί πλέον να μεταβολιστεί από τα βακτήρια.

Ένα ποσοστό των αερίων θερμοκηπίου , που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα από το βιοδιϋλιστήριο , οφείλεται στη χρήση των αντίστοιχων πρώτων υλών αλλά και των ανάλογων χημικών. Το ίδιο ισχύει και για την απαιτούμενη ενέργεια. Η αποτύπωση των μετρήσεων αυτών δίνεται στον πίνακα (1).
Για τα αέρια οι μετρήσεις αποτυπώνονται σε kg ισοδύναμου CO2-e , ανά kg παραγόμενου PHA , ενώ για την ενέργεια ,που θεωρείται ότι ελευθερώνεται από καύση ορυκτών καυσίμων , σε MJ

Πίνακας (1)
Εκπομπής αερίων θερμοκηπίου &  Δαπάνης ενέργειας

Πρώτες Ύλες
Χημικά

Εκπομπές
Αερίων θερμοκηπίου
CO2-e   (Kg/Kg PHA)

Ενέργεια
ορυκτών καυσίμων
J/ Kg PHA)

Ζαχαροπολτός

— 5,39

7,55

Γλυκόζη

— 0,36

2,34

Αμμωνία

0,13

3,14

Άλατα (P,K,Mg)

0,04

0,93

Θειϊκό οξύ

0,05

0,59

Καυστικό
νάτριο

0,01

0,28

Υποχλωριώδες οξύ

0,08

1,62

Νερό διεργασιών

0,004

0,09

Σύνολο

— 5,44

16,54


Εξαιτίας των μεγάλων ποσοτήτων που δεσμεύονται κατά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης του καλαμποκιού , αλλά και τη χρήση σχετικά μικρών ποσοτήτων χημικών τόσο κατά την καλλιέργεια του όσο και κατά τη λειτουργία του βιοδιϋλιστηρίου , οι εκπομπές CO2 είναι ουσιαστικά αρνητικές.
Η γλυκόζη χρησιμοποιείται σαν θρεπτικό συστατικό της βακτηριακής καλλιέργειας και παράγεται από την βιομάζα με υγρή κατεργασία-εξευγενισμό (wet milling).
Η ΝΗ3 και τα άλατα είναι αναγκαία για την παροχή αζώτου και απαραίτητων ιχνοστοιχείων αντίστοιχα στη βακτηριακή καλλιέργεια.
Το θειϊκό οξύ είναι ένα σύνηθες μέσο η χρήση του οποίου αποσκοπεί στη σταθεροποίηση του pH. Το σταθερό pH είναι βασική συνθήκη για τη διατήρηση στη ζωή της βιοκαλλιέργειας.
Γενικά η βιοδιεργασία είναι αρκετά ενεργοβόρα γιατί απαιτεί χρήση ατμού , ο οποίος παράγεται συνήθως επιτόπια με καύση φυσικού αερίου.
Η αποτύπωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και οι ανάλογες ενεργειακές απαιτήσεις , μπορούν να επιμεριστούν στα διάφορα στάδια της διαδικασίας παραγωγής των PHA ;όπως φαίνεται στον πίνακα (2)

Πίνακας (2)
Εκπομπής αερίων θερμοκηπίου  &  Δαπάνης ενέργειας

Τομείς

Επιμέρους
λειτουργίες

Εκπομπές Αερίων
θερμοκηπίου
CO2-e   (Kg/Kg PHA)

Ενέργεια
ορυκτών
καυσίμων
J/ Kg PHA)

Βιοκαλλιέργεια

Αποστείρωση
Αερισμός
Λειτουργία
Βιοαντιδραστήρα

0,17

2,53

Παραγωγή PHA
με ζύμωση

Αερισμός
άλλες λειτουργίες

0,85

13,87

 

Συλλογή PHA

 

0,67

9,42

Άλλοι τομείς

 

0,04

0,70

Σύνολο

 

1,73

26,52

Από τους διάφορους τομείς η συνολική εκπομπή αερίων θερμοκηπίου ισοδυναμεί με 1,73 Kg CO2 / Kg PHA ενώ η συνολική ισοδύναμη ενεργειακή απαίτηση από ορυκτά καύσιμα είναι 26,52 ΜJ. Περίπου το 62% της δαπανώμενης ενέργειας απαιτείται για τους τομείς της βιοκαλλιέργειας και της παραγωγής PHA με ζύμωση ενώ το 38% για τη συλλογή του πολυμερούς.

Συνολικά αποτελέσματα

Η συνολική εκπομπή αερίων θερμοκηπίου για την παρασκευή βιοπλαστικών
(cradle to factory gate) ανέρχεται σε 0,49 Kg CO2-e / Kg PHA.
Το ποσό αυτό προκύπτει από την συνεισφορά :

  1. των πρώτων υλών (-5,44 Kg)
  2. από την κυτταρική αναπνοή (3,93 Kg) (cell respiration)
  3. και από τα στάδια της βιοδιεργασίας και της διαχείρισης των απόνερων (2 Kg)

Η συνολική ενεργειακή δαπάνη υπολογισμένη με βάση την ενεργειακή ισοδυναμία ορυκτών καυσίμων είναι 44 ΜJ/ Kg PHA.
Το ποσό αυτό προκύπτει από

  1. από πρώτες ύλες (16,53 ΜJ/Kg PHA ) και
  2. τους τομείς του πίνακα (2) και της διαχείρισης απόνερων (27,47 ΜJ/Kg PHA)

Σύγκριση βιοπλαστικών - πετροχημικών πλαστικών

Στο γράφημα παρουσιάζονται συγκριτικά αποτελέσματα εκπομπών αερίων θερμοκηπίου για βιοπλαστικά και για πετροχημικά πλαστικά.




Τα πετροχημικά πλαστικά είναι:

  1. PS: Πολυστυρένιο
  2. LDPE:Χαμηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο
  3. PET:Τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο
  4. PP:Πολυπροπυλένιο

Ενώ τα βιοπλαστικά είναι :

  1. PLA
  2. PHA-G:PHA από γλυκόζη
  3. PHA-Ο:PHA από φυτικά έλαια
  4. PHA-BS:PHA από ζαχαροπολτό


Η εκπομπή αερίων θερμοκηπίου ποικίλει από 0,25 έως 0,5 ενώ τα αντίστοιχα επίπεδα των πετροχημικών πλαστικών είναι πολύ υψηλότερα , 2-3 Kg CO2-e / Kg PHA.
Το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) είναι ένας ακόμη βιοπολυεστέρας , ο οποίος όμως έχει υψηλότερες εκπομπές αερίων σε σχέση με τα PHA βιοπλαστικά.
Η ολική ενεργειακή απαίτηση ανά κιλό πετροχημικών πλαστικών είναι 80-90 MJ και είναι αρκετά υψηλότερη εκείνης των βιοπλαστικών που είναι της τάξης των 44-60 MJ.
Στην παραγωγή των πετροχημικών πολυμερών το αιθυλένιο μετατρέπεται σε ποικίλα πολυμερή και η ενέργεια που δεσμεύεται (23-48 MJ/Kg) μπορεί να υπολογιστεί από την θερμότητα καύσης των πολυμερών. Το ποσό αυτό προστιθέμενο στην καταναλωθείσα ενέργεια μας δίνει την ολική ενέργεια για το πλαστικό.
Αντίθετα σε αυτή την ενεργειακή αποτίμηση έχει διατυπωθεί η άποψη πως η δεσμευμένη αυτή ενέργεια (διαφορά συνολικής και δαπανηθείσας ενέργειας) ουσιαστικά δεν δαπανάται για την παραγωγή του πετροχημικού πολυμερούς και μπορεί να ανακτηθεί μετά το τέλος του κύκλου ζωής του υλικού.
Αν το ποσό αυτό της δεσμευμένης ενέργειας αφαιρεθεί , τότε η προκύπτουσα δαπανηθείσα ενέργεια , για την παραγωγή των πετροχημικών πλαστικών , είναι λιγότερη από εκείνη των βιοπλαστικών (εκτός από την περίπτωση του PET). Παρόλα αυτά όμως η ενέργεια που είναι δεσμευμένη στα βιοπλαστικά μπορεί επίσης να ανακτηθεί όπως συμβαίνει και με τα πετροχημικά πολυμερή.
Τέλος αν χρησιμοποιηθεί ένα αντιπροσωπευτικό PHA πολυμερές σαν την PHB η δαπανώμενη ενέργεια παραγωγής του βιοπλαστικού μειώνεται σε 19,9 ΜJ/Kg PHA. Ποσό πολύ μικρότερο από τα αντίστοιχα ποσά τoυ LDPE (34 ΜJ/Kg PHA) και του PP (30 ΜJ/Kg PHA). Τα δύο αυτά πολυμερή , όπως φαίνεται στον πίνακα (3) , έχουν την ελάχιστη ενεργειακή απαίτηση από όλα τα πετροχημικά πλαστικά.