Ανάπτυξη βιώσιμων συστημάτων παραγωγής βιοενέργειας, μικρής κλίμακας, στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας: συμβιωτικές συνέργειες από τη θερμοχημική συν - αξιοποίηση ακατέργαστης γλυκερίνης, παραπροϊόντος παραγωγής βιοντήζελ, με υπολειμματική βιομάζα

Abstract

The present PhD thesis aimed to study and deepen in technological aspects that concern biomass and waste thermochemical conversion systems (pyrolysis and gasification), with a view to evaluate the obtained experimental results for the development of sustainable small-scale bioenergy systems, in the context of circular economy. In this context, special emphasis was placed on investigating alternative valorization technological routes for crude glycerol, a by-product of biodiesel production facilities, via co-processing with lignite and/or biomass for energy production, targeting to sustainable and profitable biodiesel production. Under this frame, a literature review was conducted relative to the scientific fields that the thesis dealt with, while, special focus was given to thermochemical valorization and co-valorization practices of crude glycerol with conventional and renewable (biomass) fuels for energy production. The experimental study included raw material characterization and primary refining/pretreatment of conventional and renewable fuels, mixtures of crude glycerol with lignite and biomass, to produce advanced intermediate products, alternative fuels for thermochemical processes. Thermochemical co-valorization of the produced alternative fuels was investigated via pyrolysis and gasification at laboratory scale. The results of the study were evaluated in order to further proceed in pilot scale experiments via gasification in a bubbling fluidized bed reactor for combined heat and power production (CHP). Finally, sustainability analysis of the proposed bioenergy production technological schemes via gasification of biomass and its mixtures with crude glycerol was conducted. The proposed technological scheme focused on integrating CHP units within an industrial symbiosis network of biodiesel production plants and agro-industries and, thus, developing synergies between these small to medium industries, while achieving environmental savings, via gasification. CHP units which are co-located in an industrial symbiosis network could offer anchor tenant possibilities due to the heat, steam and electricity production. Co-valorization of crude glycerol with waste biomass towards bioenergy, serving the energy needs of the biodiesel plant, can contribute in decreasing the cost of biodiesel production, while waste streams of crude glycerol can be managed, providing a rather short-term solution to the environmental problem.

Αντικείμενο της διατριβής ήταν η μελέτη συστημάτων θερμοχημικής μετατροπής βιομάζας και απορριμμάτων, τεχνολογικής λύσης στο περιβαλλοντικό πρόβλημα της διαχείρισης τους, με παράλληλο στόχο την αποδοτική χρήση των πόρων μέσω της ανάπτυξης βιώσιμων συστημάτων παραγωγής βιοενέργειας, μικρής κλίμακας, στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις «Συμβιωτικές Συνέργειες από τη Θερμοχημική Συν-αξιοποίηση Ακατέργαστης Γλυκερίνης, Παραπροϊόντος Παραγωγής Βιοντήζελ, με υπολειμματική Βιομάζα», με σκοπό την αύξηση της ανταγωνιστικότητας και την ενίσχυση της βιωσιμότητας των μονάδων παραγωγής βιοντήζελ. Για την επίτευξη των στόχων της εργασίας μελετήθηκε βιβλιογραφικά η προοπτική της θερμοχημικής αξιοποίησης της ακατέργαστης γλυκερίνης μέσω των διεργασιών πυρόλυσης και αεριοποίησης και ειδικότερα της χρήσης της για μερική υποκατάσταση συμβατικών και ανανεώσιμων καυσίμων (βιομάζας) και παραγωγή ενέργειας. Η πειραματική διερεύνηση περιλάμβανε το χαρακτηρισμό των πρώτων υλών που χρησιμοποιήθηκαν και την προεπεξεργασία/προετοιμασία τους για παραγωγή ενδιάμεσων προϊόντων, μιγμάτων ακατέργαστης γλυκερίνης με λιγνίτη ή/και βιομάζα, αναβαθμισμένης τροφοδοσίας στα συστήματα θερμοχημικής μετατροπής. Η θερμοχημική μετατροπή των παραγόμενων εναλλακτικών καυσίμων μελετήθηκε σε εργαστηριακούς αντιδραστήρες πυρόλυσης και αεριοποίησης. Βάση των αποτελεσμάτων της εργαστηριακής μελέτης πραγματοποιήθηκαν πιλοτικές δοκιμές σε αντιδραστήρα αεριοποίησης τύπου ρευστοστερεάς κλίνης για συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού (ΣΗΘ). Τέλος αναλύθηκε η βιωσιμότητα των μονάδων παραγωγής βιοενέργειας, μέσω αεριοποίησης υπολειμματικής βιομάζας και μιγμάτων της με ακατέργαστη γλυκερίνη. Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης διερεύνησης αναπτύχθηκε λεπτομερώς το σύνολο της οικονομικής αξιολόγησης για την δυνατότητα χρήσης τόσο υπολειμματικής αγροτο-βιομηχανικής βιομάζας, αλλά και της ακατέργαστης γλυκερίνης ως τροφοδοσίας σε μικρές μονάδες θερμοχημικής μετατροπής (αεριοποίησης). Με γνώμονα τα παραπάνω προτείνεται αναφορικά με την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων της μελέτης, ως εναλλακτική, αναπτυξιακή, καινοτόμος λύση η εγκατάσταση και λειτουργία μικρών μονάδων αεριοποίησης για την ενεργειακή συν-αξιοποίηση της ακατέργαστης γλυκερίνης με βιομάζα, μέσα σε ένα βιομηχανικό σύστημα συμβίωσης μονάδων παραγωγής βιοντήζελ και αγροτο-βιομηχανιών, αναπτύσσοντας συνέργειες μεταξύ των προαναφερθέντων μικρομεσαίων βιομηχανιών, και ενισχύοντας, παράλληλα, την περιβαλλοντική τους απόδοση.