Αξιολόγηση βιωσιμότητας τεχνολογιών αξιοποίησης αστικών στερεών αποβλήτων και περαιτέρω διερεύνηση εφαρμογής βιοδιϋλιστηρίου

Abstract

In the framework of the current thesis, the environmental impacts associated with the management of municipal waste in Greece are examined with the use of the Life Cycle Assessment method. The first part of the thesis focuses on the climate change impact incurred by the current status of municipal waste management in Greece, as well as by the new waste management status which is foreseen for 2020 in the latest National Waste Management Plan (NWMP) of 2015. In particular, the new NWMP foresees the separation at source of the different municipal waste streams and sets quantified targets for their recovery. In the second part of this thesis, the case of a biorefinery system is examined for the alternative management and valorization of municipal biowaste with the production of ethanol fuel and other products. The environmental performance of the biorefinery system is assessed compared to different versions of it, as well against the conventional systems for biowaste treatment. Following, the economic sustainability of the application of such a system in full scale is assessed and the values of the critical parameters for which the system may be economically viable, are defined. Finally, the examined biowaste management systems are evaluated against their overall sustainability, based on a set of environmental, technical, economic and social criteria with the use of the MultiCriteria Analysis method. In specific, in the first part of this thesis, the greenhouse gas (GHG) emissions generated by the current municipal waste management system in Greece are estimated for the period 1991-2015. Next, the potential for reducing GHG emissions through the realization of the targets set in the NWMP (2015) with respect to the separation at source and recovery of recyclables. For the estimation of GHG emissions from landfilling, the waste model developed by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) was used, while for the rest management methods, the appropriate emission factors from the scientific literature were selected. The main outcomes of this research are summarized next. The total quantity of municipal waste that is disposed of in landfills during the period 1991-2015 amounts to approximately 110 million tonnes, with the respective quantity being landfilled in the future according to the new NWMP, being 41 million tonnes. The total GHG emissions that are estimated to occur within a 100-year horizon are for the second case 40.9 billion kg CO2eq., which corresponds to 26% of the respective emissions from the current situation. It is thus observed that by reducing the amount of biodegradable waste that is landfilled and collecting the generated landfill gas, the GHG emissions are drastically reduced. The average net emissions from composting are estimated to be approximately 18.8 million kg CO2eq. for the current situation and refer to the treatment of about 46,000 tn organic waste/year on average. With respect to the year 2020 when, according to the NWMP target, it is foreseen that 2,048,000 tonnes of organic waste will be composted, the respective emissions are estimated to be 812.3 million kg CO2eq.. the net GHG emissions from the recycling of recyclable waste are negative, as the avoided GHG emissions related to the substitution of the production of the respective materials from virgin raw materials, are considerable higher compared to the other emissions. On average, the net emissions from the management of recyclable waste during the current period are -342 million kg CO2eq./year, while for the year 2020 the respective emissions amount to -1,689 million kg CO2eq.. Finally, with respect to the overall management of municipal waste in Greece, the net emissions are quite high for the current period, as they are mostly determined by the emissions from landfilling, with the higher total emissions amounting to about 8,200 million kg CO2eq. for2010. The total net emissions from waste management during 2020 are estimated to be about 300 million kg CO2eq., which are 25 times lower compared to 2010, for a managed waste quantity only slightly smaller (-12%) compared to 2010. For the rest of the LCA research conducted in this thesis, an LCA software tool specialized in waste management (EASETECH) was used. In specific, next the available recycling methods for the dry recyclable materials present in the municipal waste were examined and an LCA was conducted on the implementation of a system for the separation at source of four recyclable waste streams (paper, plastic, glass, metal), as foreseen in the new NWMP. In this study, the analysis is further specified with respect to the different materials present in the recyclable streams and to the relevant pretreatment and recycling processes, while the purity and separation efficiency of collected recyclables is also examined. The main results of the research are presented next. In general, the net GHG emissions generated from the treatment of recyclable waste are negative, as the avoided emissions due to the substitution of material production from virgin raw material are higher compared to the emissions generated from the sorting, pretreatment and residue management processes. On average, the stage of recycling of recovered materials contributes 20% and the substitution stage contributes 78%to the total emissions from the management of recyclable waste . The higher negative emissions are observed for the case of paper/carton waste recycling (-313kg CO2 eq./tn), which is attributed mainly to the high share of this waste stream in the collected recyclable waste. High negative emissions are also observed from the recycling of plastic and metal waste (-249kg CO2 eq./tn and -150 kg CO2 eq./tn, respectively). With respect to the management of 1 tn waste/material, it was shown that the highest negative emissions (-10,080 kg CO2 eq./tn) are generated from the recycling of non metal waste (aluminum), followed by the net emissions of ferrous metal waste (-2,508 kg CO2 eq./tn) and of plastic waste (-1,248 to -2,205 kg CO2 eq./tn). The management of glass waste results in the lowest negative emissions (-316 kg CO2 eq./tn), with the emissions from the treatment of paper and carton waste ranging also in low levels (-466 to -575 kg CO2 eq./τόνο). In the second part of the current thesis, an LCA was conducted for the identification of the environmental impacts from the implementation, at full scale, of a biorefinery system for the alternative management and valorization of municipal biowaste with the production of ethanol fuel and other products. The system is based on the bioconversion process that was developed in the framework of the LIFE project WASTE2BIO. To this aim, LCA was applied to a number of alternative bioconversion systems concerning the potential process products and system configurations. The basic bioethanol production system includes the following stages: collection and transportation of biowaste; pretreatment; bioconversion; ethanol distillation; anaerobic digestion of stillage; generation of energy from biogas. Besides bioethanol, the potential system products that were also taken into account are the energy from biogas production; the production of soil conditioner from the anaerobic digestate; the production of methane fuel from biogas; and the production of animal feed from the stillage. Furthermore, the available biowaste management methods were examined and compared to the reference biorefinery system, such as the landfilling, composting, anaerobic digestion and incineration methods. The different ethanol production systems and waste management methods were evaluated against thirteen life cycle impact categories. The results of the LCA study show that the reference biorefinery system with biowaste drying at the main plant (central drying) presents very good environmental performance compared to the conventional waste management methods examined. The net emissions to the environment are quite low for all the impact categories examined, while in many of the cases the emissions are negative, meaning that the examined system creates a net benefit for the environment. The highest positive impacts are observed for the impact categories “Ecotoxicity”, “Marine eutrophication” and “Soil eutrophication” and are related to the emissions from the stage where the digestate is applied on land, which is common for most of the examined ethanol production systems. The ethanol production system with decentralized waste drying at municipal level presents low but positive emissions in most of the impact categories, which is mainly attributed to the fact that the heat produced at the bioethanol plant cannot be exploited for satisfying the heat requirements of drying, since the latter takes place remotely. The ethanol production system with waste drying at household level presents higher emissions in all impact categories, with substantially higher emissions in most categories, which is attributed to the fact that household dryers consume more energy and in particular electricity, in contrast to the central/decentralized dryers which use heat. With respect to the alternative/additional products of the bioethanol system studied, it was found that the production of methane transport fuel from biogas instead of electricity and heat presents better environmental performance compared to the reference system in all impact categories. The production of hydrous ethanol for use as heat fuel for fireplaces instead of anhydrous ethanol as transport fuel results in worse performance in all impact categories, while the partial diversion of stillage for the production of animal feed presents worse performance in some categories and better in some others. With respect to the results of the sensitivity analysis, it was shown that the use of catering waste as substrate and the reduction of enzyme dosage due to improvements in their effectiveness leads to further emission savings, as anticipated. The production of energy from the combustion of the solid fraction of process stillage also presents better performance compared to the reference system in many of the impact categories. The increase in enzyme dosage for achieving maximum ethanol production presents worse performance in most impact categories. The reference biorefinery system in general presents very good performance against almost all impact categories compared to the current waste management methods. As regards the impacts in the “Climate change” category, the best performances are observed for the methods of anaerobic digestion, incineration and the reference system, where savings are achieved, while the worst performance with positive emissions is observed for the landfill method. With respect to the rest of the impact categories, relatively high emissions are observed for the composting method in the categories “Acidification, soil”, “Eutrophication, soil” and “Particulate matter” which are related to the air emissions from the composting process, for the anaerobic digestion and the composting method in the category “Human Toxicity, non-carcinogenic” and for all methods except incineration in the category “Ecotoxicity” which are related to the emissions from application of compost/digestate on land or to the emissions from the disposal of effluent landfill leachate to surface waters. Following, the sustainability of the full-scale implementation of the biowaste management system for the production of ethanol is assessed. In particular, a thorough financial analysis of the biowaste conversion plant for the production of ethanol took place. Three basic scenarios were examined with respect to biowaste drying: (i) municipal level, (ii) home level and (iii) central plant level. Furthermore, for each scenario different sub-scenarios are examined with respect to the system critical/most influencial parameters, such as the enzyme costs, the ethanol selling price, the debt level and loan duration. The results of the financial analysis for each of the examined sub-scenarios indicated the lowest fee at which the municipalities may manage their biowaste which is at the same time feasible for the business investment at the ethanol production plant level. The analysis showed that biowaste drying at central level is more economical for the municipalities (management costs for the municipality: 91-122€/tn wet waste) compared to drying at municipal level (management costs for the municipality: 113-136€/tn wet waste), mainly due to the fact that the thermal energy produced at the biorefinery plant is not fully exploited in the case where drying takes place distantly (at municipal level). On the other hand, the required thermal energy for drying at municipal level is satisfied through the purchase and use of natural gas, thus substantially increasing costs for the municipality. If dried biowaste produced at municipal level are combusted in order to exploit the produced energy for drying, then the management costs are reduced (78-88€/tn wet waste). The biorefinery system with decentralized drying and combustion presents better environmental performance compared to the biorefinery system with decentralized drying, at the impact categories “Climate change” and “Depletion of abiotic resources – Fossil”. This is attributed to the avoidance of fossil fuel use for drying, according to the LCA results. However, it should also be taken into account that combustion and energy recovery from waste is less preferable compared to recycling based on the waste management hierarchy of the Waste Framework Directive, as savings in resources are achieved due to the substitution of mineral fertilizer production. This is reflected through the impact category “Depletion of abiotic resources – Elements and compounds”, where the biorefinery system with decentralized drying and combustion creates net burdens, in contrast to the biorefinery systems with central and decentralized drying, where we have net savings. This is attributed to the fact that less fertilizer is produced, due to the combustion of (part of) biowaste and thus the savings are smaller than the burdens. Finally, drying at household level did not prove to be economical (management costs for the municipality: 152-176€/tn wet waste), mainly due to the high costs for the purchase of the household driers and the high amounts of electricity consumed for drying. However, the sensitivity analysis showed that a reduction in the cost of the household dryer of 50€ (100€ from 150€) may result in a reduction of about 14€ in the total management cost for the municipality. In the last part of this thesis, the multicriteria analysis tool developed for the comparative assessment of the overall sustainability of the examined biowaste management methods, is presented. Sustainability is assessed in terms of economic, environmental, technical and social criteria. The assessment takes into account the whole waste management system, from the production and transportation of waste to their treatment or final disposal and the use of potential products. According to the selected environmental criteria, combustion with energy recovery is the best method from the environmental point of view followed by the biorefinery system with central/decentralized drying. According to the economic criterion which is based on the minimum management fee, the most preferred method is that of composting, followed by landfilling and anaerobic digestion. The methods of combustion and the biorefinery system with decentralized drying and combustion are in fifth place. The alternative biorefinery systems incur higher capital and operational costs, which is attributed to the complex processes involved, the advanced equipment, the costly raw materials (e.g. enzymes) and the specialized personnel. The biorefinery systems however produce higher net revenues, as apart from the sale of excess electricity and of the fertilizer produced, there are significant revenues from the sale of ethanol as well. According to the examined social criteria, anaerobic digestion is considered to be the most preferred method, followed by combustion and the biorefinery system with decentralized drying (without and with combustion). Following, four alternative scenarios were assessed with the multicriteria method, where higher weights were assigned to different criteria groups at the three scenarios (environmental, economic, social scenarios), while at the fourth scenario, equal weights are assigned to all criteria groups (weighted scenario). The results of the multicriteria analysis show that the method of combustion is the most preferred option both for the weighted scenario and the environmental scenario. Anaerobic digestion is the most preferred option according to both the economic and the social scenario. Composting is ranked between the second and the third place in all scenarios, except for the environmental one. According to the environmental scenario, the biorefinery system with central drying and the respective system with decentralized drying and combustion are ranked in the third place. Those two systems are ranked higher compared to the other biorefinery systems which involve drying at decentralized/household level, in all scenarios.

Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής γίνεται διερεύνηση του δυναμικού αξιοποίησης των αστικών αποβλήτων στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας για τη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος από τη διαχείριση αποβλήτων. Η αξιολόγηση γίνεται υπό το πρίσμα της συνολικής περιβαλλοντικής, οικονομικής και κοινωνικής βιωσιμότητας, προκειμένου να δοθεί μια συνολική εικόνα όσον αφορά την επίδοσή τους. Η ανάλυση βασίζεται στη μέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής, η οποία λαμβάνει υπόψη όλα τα στάδια της διαχείρισης αποβλήτων, από τη συλλογή και μεταφορά τους έως και την τελική τους διάθεση ή την ανακύκλωσή τους και την υποκατάσταση παρθένων πρώτων υλών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, γίνεται προσδιορισμός των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από την υφιστάμενη διαχείριση αστικών στερεών αποβλήτων στην Ελλάδα και διερευνάται το δυναμικό περιορισμού των επιπτώσεων αυτών με την υλοποίηση του συστήματος διαχείρισης αστικών αποβλήτων που προβλέπεται για το 2020 στον τελευταίο Εθνικό Σχεδιασμό Διαχείρισης Στερεών Αποβλήτων (ΕΣΔΑ) του 2015. Ειδικότερα, ο νέος ΕΣΔΑ προβλέπει τη χωριστή διαλογή στην πηγή των διαφορετικών ρευμάτων αποβλήτων και θέτει ποσοτικούς στόχους για την ανάκτησή τους. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζεται η περίπτωση ενός συστήματος βιοδιϋλιστηρίου για την εναλλακτική διαχείριση και αξιοποίηση των αστικών βιοαποβλήτων με την παραγωγή αιθανόλης και άλλων προϊόντων. Η περιβαλλοντική απόδοση του βιοδιυλιστηρίου συγκρίνεται με παραλλαγές αυτού αλλά και με τα συμβατικά συστήματα διαχείρισης των βιοαποβλήτων. Στη συνέχεια, γίνεται αξιολόγηση της οικονομικής βιωσιμότητας της εφαρμογής του συστήματος αυτού σε πλήρη κλίμακα και προσδιορίζονται οι τιμές των κρίσιμων παραμέτρων για τις οποίες το σύστημα αυτό μπορεί να είναι οικονομικά βιώσιμο. Τέλος, πραγματοποιείται πολυκριτηριακή αξιολόγηση της συνολικής βιωσιμότητας των διαφορετικών μεθόδων διαχείρισης βιοαποβλήτων με βάση περιβαλλοντικά, οικονομικά και κοινωνικά κριτήρια. Ειδικότερα, στο πρώτο μέρος υπολογίζονται αρχικά οι εκπομπές αερίων φαινομένου του θερμοκηπίου (ΑΦΘ) που παράγονται από το υφιστάμενο σύστημα διαχείρισης των αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ) στην Ελλάδα για την περίοδο 1991-2015. Στη συνέχεια γίνεται εκτίμηση της δυνατότητας μείωσης των εκπομπών ΑΦΘ με την υλοποίηση των στόχων χωριστής διαλογής και ανάκτησης των διαφορετικών ρευμάτων αποβλήτων για το 2020, σύμφωνα με τον τελευταίο ΕΣΔΑ (2015). Για τον υπολογισμό των εκπομπών ΑΦΘ, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό εργαλείο της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC) για την περίπτωση της ταφής, ενώ για τις υπόλοιπες μεθόδους χρησιμοποιήθηκαν συντελεστές εκπομπών από τη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία. Τα κύρια αποτελέσματα της έρευνας αυτής συνοψίζονται στα ακόλουθα σημεία. Οι συνολικές ποσότητες που οδηγούνται προς ταφή την περίοδο 1991-2015 ανέρχονται σε περίπου 110 εκατομμύρια τόνους, με τις αντίστοιχες συνολικές ποσότητες που θα οδηγούνται προς ταφή σύμφωνα με τον ΕΣΔΑ στο μέλλον να ανέρχονται σε περίπου 41 εκατομμύρια τόνους. Οι συνολικές εκπομπές ΑΦΘ σε ορίζοντα 100ετίας για τη δεύτερη περίπτωση υπολογίζονται σε 40.9 δισεκατομμύρια kg CO2eq., δηλαδή 26% των αντίστοιχων εκπομπών της υφιστάμενης κατάστασης. Παρατηρείται επομένως ότι μειώνοντας την ταφή των βιοαποδομήσιμων αποβλήτων και συλλέγοντας το παραγόμενο βιοαέριο, μειώνονται δραστικά οι εκπομπές ΑΦΘ από την ταφή αποβλήτων. Οι μέσες ετήσιες καθαρές εκπομπές από την κομποστοποίηση την υφιστάμενη περίοδο υπολογίζονται σε 18.8 εκατομμύρια kg CO2 eq. και αντιστοιχούν στη διαχείριση περίπου 46,000 τόνων οργανικών αποβλήτων/έτος κατά μέσο όρο. Το έτος 2020 όπου προβλέπεται σύμφωνα με το στόχο του ΕΣΔΑ η επεξεργασία 2,048,000 τόνων με κομποστοποίηση, οι αντίστοιχες εκπομπές υπολογίζονται σε 812.3 εκατομμύρια kg CO2 eq.. Οι καθαρές εκπομπές ΑΦΘ από την ανακύκλωση των ανακυκλώσιμων αποβλήτων είναι αρνητικές, καθώς οι αποφευχθείσες εκπομπές ΑΦΘ λόγω της υποκατάστασης της παραγωγής των αντίστοιχων υλικών από παρθένες πρώτες ύλες, είναι σημαντικά μεγαλύτερες. Κατά μέσο όρο την υφιστάμενη περίοδο οι καθαρές εκπομπές από τη διαχείριση των ανακυκλώσιμων αποβλήτων είναι -342 εκατομμύρια kg CO2 eq./έτος, ενώ για το 2020 υπολογίζονται σε -1689 εκατομμύρια kg CO2 eq.. Τέλος, όσον αφορά τη συνολική διαχείριση των αστικών αποβλήτων στην Ελλάδα, οι καθαρές εκπομπές την υφιστάμενη περίοδο είναι αρκετά υψηλές καθώς καθορίζονται κατά κύριο λόγο από τις εκπομπές της ταφής, με την υψηλότερη τιμή να υπολογίζεται περίπου στα 8,200 εκατομμύρια kg CO2eq.το έτος 2010. Oι συνολικές καθαρές εκπομπές από τη διαχείριση των αποβλήτων το 2020 υπολογίζονται σε περίπου 300 εκατομμύρια kg CO2eq., ποσότητα 25 φορές μικρότερη σε σχέση με το 2010, για μια διαχειριζόμενη ποσότητα αποβλήτων μόνο ελαφρώς μικρότερη (-12%) σε σχέση με το 2010. Για το υπόλοιπο της έρευνας ΑΚΖ που διεξήχθη στην παρούσα διατριβή, χρησιμοποιήθηκε εξειδικευμένο λογισμικό ΑΚΖ για τη διαχείριση αποβλήτων (EASETECH). Ειδικότερα, στη συνέχεια μελετώνται περαιτέρω οι διαφορετικές μέθοδοι ανακύκλωσης των ξηρών ανακυκλώσιμων αποβλήτων και εξετάζεται η υλοποίηση ενός συστήματος διαλογής στην πηγή σε τέσσερα ρεύματα των ανακυκλώσιμων αποβλήτων. Στη μελέτη αυτή, η ανάλυση εξειδικεύεται περαιτέρω όσον αφορά τα διαφορετικά υλικά που περιέχονται στα επιμέρους ρεύματα και τις σχετικές διεργασίες προεπεξεργασίας και ανακύκλωσης, ενώ παράλληλα εξετάζεται το επίπεδο καθαρότητας και αποτελεσματικότητας της διαλογής. Τα κύρια αποτελέσματα της έρευνας αυτής παρουσιάζονται στη συνέχεια. Λόγω της προδιαλογής των ανακυκλώσιμων αποβλήτων στην πηγή, τα ποσοστά καθαρότητας των ρευμάτων αποβλήτων καθώς και τα ποσοστά ανάκτησης των υλικών στα ΚΔΑΥ είναι σημαντικά μεγαλύτερα σε σχέση με τα αντίστοιχα μέσα επίπεδα ανάκτησης στα υφιστάμενα ΚΔΑΥ (~60%) που υποδέχονται σύμμεικτα ανακυκλώσιμα απόβλητα. Γενικά, οι καθαρές εκπομπές ΑΦΘ από τη διαχείριση των ανακυκλώσιμων αποβλήτων είναι αρνητικές,. Κατά μέσο όρο, το στάδιο της ανακύκλωσης ανακτημένων υλικών συνεισφέρει 20% στις συνολικές εκπομπές και η υποκατάσταση 78%. Οι υψηλότερες αρνητικές εκπομπές παρατηρούνται στην περίπτωση του χαρτιού/χαρτονιού (-313kg CO2 eq./τόνο), το οποίο οφείλεται κυρίως στη μεγάλη συμμετοχή του ρεύματος αυτού στα συλλεχθέντα ανακυκλώσιμα απόβλητα. Oι αμέσως χαμηλότερες αρνητικές εκπομπές συνδέονται με τη διαχείριση των αποβλήτων πλαστικού και μετάλλου (-249kg CO2 eq./τόνο και -150 kg CO2 eq./τόνο, αντίστοιχα). Όσον αφορά τις εκπομπές από τη διαχείριση 1 τόνου αποβλήτου/υλικό, οι υψηλότερες αρνητικές καθαρές εκπομπές (-10,080 kg CO2 eq./τόνο) προκύπτουν από τη διαχείριση μη σιδηρούχων μετάλλων (αλουμινίου), ενώ ακολουθούν με σημαντική διαφορά οι καθαρές εκπομπές από τη διαχείριση των σιδηρούχων μετάλλων (-2,508 kg CO2 eq./τόνο) και των πλαστικών (-1,248 έως -2,205 kg CO2 eq./τόνο). Η διαχείριση ενός τόνου αποβλήτων γυαλιού επιφέρει τις χαμηλότερες σχετικές καθαρές εκπομπές (-316 kg CO2 eq./τόνο), με τις εκπομπές από τη διαχείριση ίσης ποσότητας αποβλήτων χαρτιού και χαρτονιού να κυμαίνονται επίσης σε χαμηλά επίπεδα (-466 έως -575 kg CO2 eq./τόνο). Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αυτής, διεξήχθη ΑΚΖ για τον προσδιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από την εφαρμογή σε πλήρη κλίμακα ενός συστήματος βιοδιϋλιστηρίου. Το σύστημα αυτό βασίζεται στη διεργασία της βιομετατροπής, η οποία αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του LIFE έργου WASTE2BIO. Το βασικό σύστημα παραγωγής αιθανόλης περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια: συλλογή και μεταφορά των βιοαποβλήτων; προεπεξεργασία; βιομετατροπή; απόσταξη αιθανόλης; αναερόβια χώνευση του υπολείμματος; παραγωγή ενέργειας από το βιοαέριο. Μελετήθηκε επίσης πλήθος εναλλακτικών συστημάτων, όσον αφορά τα πιθανά προϊόντα της διεργασίας, βασικές παραμέτρους λειτουργίας και μέρη του συστήματος. Τα πιθανά προϊόντα που εξετάστηκαν πέρα από τη βιοαιθανόλη περιλαμβάνουν την ενέργεια από το βιοαέριο, την παραγωγή εδαφοβελτιωτικού από την αξιοποίηση του χωνεύματος της αναερόβιας χώνευσης, την παραγωγή μεθανίου από το βιοαέριο της αναερόβιας χώνευσης και, τέλος, την παραγωγή ζωοτροφής από το υπόλειμμα της απόσταξης. Επίσης εξετάστηκαν και συγκρίθηκαν με το υπό μελέτη σύστημα παραγωγής βιοαιθανόλης, οι υφιστάμενες εναλλακτικές μέθοδοι για τη διαχείριση των αστικών βιοαποβλήτων, όπως η ταφή, η κομποστοποίηση, η αναερόβια χώνευση και η καύση. Τα διαφορετικά συστήματα παραγωγής αιθανόλης και οι μέθοδοι διαχείρισης βιοαποβλήτων αξιολογήθηκαν με βάση την απόδοσή τους σε δεκατρείς κατηγορίες επιπτώσεων ΑΚΖ. Τα αποτελέσματα της ΑΚΖ δείχνουν ότι το βασικό σύστημα παραγωγής αιθανόλης με ξήρανση των βιοαποβλήτων στη μονάδα αιθανόλης (κεντρική ξήρανση) παρουσιάζει πολύ καλή περιβαλλοντική απόδοση. Ειδικότερα, οι καθαρές εκπομπές στο περιβάλλον είναι σχετικά χαμηλές και στις περισσότερες κατηγορίες περιπτώσεων είναι αρνητικές, δηλαδή υπάρχει καθαρό όφελος για το περιβάλλον. Οι μεγαλύτερες θετικές καθαρές εκπομπές παρατηρούνται στις κατηγορίες «Οικοτοξικότητα», «Ευτροφισμός, θάλασσα» και «Ευτροφισμός, έδαφος», οι οποίες αποδίδονται στις εκπομπές που σχετίζονται με το στάδιο της εφαρμογής στο έδαφος του χωνεύματος που παράγεται από την αναερόβια χώνευση, το οποίο είναι κοινό στάδιο στα περισσότερα εξεταζόμενα συστήματα παραγωγής αιθανόλης. Το εναλλακτικό σύστημα παραγωγής αιθανόλης με αποκεντρωμένη ξήρανση των βιοαποβλήτων σε επίπεδο δήμου ή δήμων παρουσιάζει χαμηλές αλλά θετικές εκπομπές στις περισσότερες κατηγορίες επιπτώσεων, το οποίο αποδίδεται κατά κύριο λόγο στο γεγονός ότι η θερμότητα που παράγεται στη μονάδα παραγωγής αιθανόλης δεν μπορεί να εκμεταλλευτεί για την κάλυψη των θερμικών αναγκών της ξήρανσης, καθώς η τελευταία γίνεται σε άλλο μέρος. Το εναλλακτικό σύστημα παραγωγής αιθανόλης με οικιακή ξήρανση των βιοαποβλήτων παρουσιάζει υψηλότερες εκπομπές σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων, με τις περισσότερες κατηγορίες οι εκπομπές να είναι σημαντικά υψηλότερες, το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι οι οικιακοί ξηραντήρες καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια και δη ηλεκτρισμό, σε αντίθεση με την κεντρική και αποκεντρωμένη ξήρανση η οποία χρησιμοποιεί απευθείας θερμότητα. Όσον αφορά τα εναλλακτικά/επιπρόσθετα προϊόντα του συστήματος παραγωγής αιθανόλης από βιοαπόβλητα, διαπιστώνεται ότι η παραγωγή από το βιοαέριο μεθανίου ως καύσιμο κίνησης αντί για ηλεκτρισμό και θερμότητα, παρουσιάζει καλύτερη περιβαλλοντική απόδοση σε σχέση με το σύστημα αναφοράς σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων. Η παραγωγή ένυδρης αιθανόλης για χρήση ως καύσιμο θέρμανσης αντί για άνυδρη αιθανόλη ως καύσιμο κίνησης παρουσιάζει χειρότερη απόδοση σε σχέση με το σύστημα αναφοράς σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων, ενώ η εκτροπή μέρους του υπολείμματος της απόσταξης για την παραγωγή ζωοτροφής παρουσιάζει χειρότερη απόδοση σε ορισμένες κατηγορίες επιπτώσεων και καλύτερη σε κάποιες άλλες. Όσον αφορά την ανάλυση ευαισθησίας, αυτή έδειξε ότι η χρήση βιοαποβλήτων από υπηρεσίες εστίασης ως υπόστρωμα και η μείωση της δοσολογίας των ενζύμων λόγω βελτίωσης της δραστικότητάς τους οδηγεί σε περαιτέρω εξοικονομήσεις εκπομπών, όπως ήταν αναμενόμενο. Η παραγωγή ενέργειας από την καύση του στερεού κλάσματος του υπολείμματος της απόσταξης επίσης παρουσιάζει καλύτερη απόδοση σε αρκετές κατηγορίες επιπτώσεων σε σχέση με το σύστημα αναφοράς. Η αύξηση της δοσολογίας των ενζύμων για την επίτευξη της μέγιστης παραγωγής αιθανόλης παρουσιάζει χειρότερη απόδοση στις περισσότερες κατηγορίες επιπτώσεων. Το βασικό σύστημα παραγωγής αιθανόλης σε σχέση με τις υφιστάμενες μεθόδους διαχείρισης των αστικών βιοαποβλήτων παρουσιάζει γενικά πολύ καλή επίδοση σχεδόν σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων ή είναι πολύ κοντά στις καλύτερες επιδόσεις των άλλων μεθόδων. Όσον αφορά τις επιπτώσεις στην κατηγορία «Κλιματική αλλαγή», οι καλύτερες επιδόσεις παρατηρούνται για την αναερόβια χώνευση, την καύση και το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου όπου πραγματοποιούνται εξοικονομήσεις, ενώ η χειρότερη απόδοση παρατηρείται για τη μέθοδο της ταφής καθώς προκύπτουν σημαντικές επιβαρύνσεις. Όσον αφορά τις υπόλοιπες κατηγορίες επιπτώσεων, σχετικά υψηλές τιμές παρατηρούνται για την κομποστοποίηση στις κατηγορίες «Οξύνιση, έδαφος», «Ευτροφισμός, έδαφος» και «Αιωρούμενα σωματίδια» οι οποίες σχετίζονται με τις αέριες εκπομπές κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης καθαυτή, για την αναερόβια χώνευση και την κομποστοποίηση στην κατηγορία «Ανθρώπινη τοξικότητα, μη καρκινογενής» και για όλες τις μεθόδους πλην της καύσης στην κατηγορία «Οικοτοξικότητα». Αυτές σχετίζονται με τις εκπομπές κατά το στάδιο της χρήσης του παραγόμενου εδαφοβελτιωτικού ή με τις εκπομπές από τη διάθεση των επεξεργασμένων στραγγισμάτων της ταφής στα επιφανειακά νερά. Στη συνέχεια, έγινε αξιολόγηση της βιωσιμότητας της εφαρμογής του συστήματος βιοδιϋλιστηρίου σε πλήρη κλίμακα. Ειδικότερα, διεξήχθη λεπτομερής χρηματοοικονομική ανάλυση της μονάδας μετατροπής των βιοαποβλήτων για την παραγωγή αιθανόλης για τρία διαφορετικά σενάρια όσον αφορά την ξήρανση, ήτοι ξήρανση (i) σε οικιακό επίπεδο, (ii) σε επίπεδο δήμων και (iii) σε επίπεδο κεντρικής μονάδας. Για κάθε σενάριο εξετάστηκαν διαφορετικά υποσενάρια ανά περίπτωση, όσον αφορά το κόστος ή/και τη δοσολογία των ενζύμων, την τιμή πώλησης της βιοαιθανόλης, το ύψος δανειοδότησης και τη διάρκεια του δανείου. Επίσης, χρηματοοικονομική ανάλυση διεξήχθη και για τις συμβατικές μεθόδους διαχείρισης αποβλήτων, προκειμένου να προσδιοριστεί το ελάχιστο τέλος διαχείρισης των βιοαποβλήτων για τους δήμους, το οποίο είναι παράλληλα βιώσιμο για τη μονάδα διαχείρισης των βιοαποβλήτων. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης έδειξαν ότι το σύστημα διαχείρισης των βιοαποβλήτων με κεντρική ξήρανση για την παραγωγή αιθανόλης είναι το πιο οικονομικό για τους δήμους (κόστος διαχείρισης για τους δήμους: 91-122€/τόνο νωπού βιοαπόβλητου) σε σύγκριση με την αποκεντρωμένη ξήρανση (κόστος διαχείρισης για τους δήμους: 113-136€/τόνο νωπού βιοαποβλήτου). Αυτό συμβαίνει κυρίως διότι η παραγόμενη θερμότητα από το βιοαέριο στη μονάδα παραγωγής αιθανόλης δεν αξιοποιείται για την ικανοποίηση (μέρους) των ενεργειακών αναγκών της ξήρανσης στην περίπτωση που αυτή πραγματοποιείται αλλού (αποκεντρωμένα), με αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος διαχείρισης των δήμων κατά το αντίστοιχο ποσό για την αγορά φυσικού αερίου και την κάλυψη του ενεργειακού ελλείμματος. Στην περίπτωση που μέρος των ξηρών βιοαποβλήτων που παράγονται από την αποκεντρωμένη ξήρανση χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας από την καύση τους η οποία τροφοδοτεί την ξήρανση, τότε το κόστος διαχείρισης για το δήμο μπορεί να μειωθεί περαιτέρω (78-88€/τόνο νωπού βιοαποβλήτου). Το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου με αποκεντρωμένη ξήρανση και καύση παρουσιάζει καλύτερη περιβαλλοντική απόδοση σε σχέση με την αποκεντρωμένη ξήρανση στις κατηγορίες επιπτώσεων «Κλιματική αλλαγή» και «Εξάντληση αβιοτικών ορυκτών πόρων», λόγω της αποφυγής χρήσης ορυκτών καυσίμων για την ξήρανση, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης κύκλου ζωής. Ωστόσο πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι η ανάκτηση ενέργειας από τα απόβλητα είναι λιγότερο επιθυμητή μέθοδος διαχείρισης σε σχέση με την ανακύκλωση σύμφωνα με την ιεράρχηση των μεθόδων διαχείρισης αποβλήτων της Οδηγίας Πλαίσιο για τα Απόβλητα, καθώς επιτυγχάνεται εξοικονόμηση πόρων λόγω της υποκατάστασης της παραγωγής ανόργανων λιπασμάτων. Αυτό αντικατοπτρίζεται στην κατηγορία επίπτωσης «Εξάντληση αβιοτικών πόρων-Στοιχεία και ενώσεις», όπου η αποκεντρωμένη ξήρανση με καύση εμφανίζει επιβαρύνσεις, σε αντίθεση με τις άλλες δύο περιπτώσεις όπου έχουμε εξοικονόμηση πόρων. Αυτό αποδίδεται κυρίως στο γεγονός ότι παράγεται λιγότερο λίπασμα, λόγω της καύσης μέρους των ΒΑΑ και έτσι οι εξοικονομήσεις είναι μικρότερες από τις επιβαρύνσεις. Τέλος, η ανάλυση έδειξε ότι η ξήρανση σε επίπεδο οικίας δεν είναι ανταγωνιστική (κόστος διαχείρισης για τους δήμους: 152-176€/τόνο νωπού βιοαποβλήτου), κυρίως λόγω του υψηλού κόστους για την αγορά των οικιακών ξηραντήρων και της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας για ξήρανση (και δη ηλεκτρισμού) σε σχέση με τα άλλα σενάρια. Η ανάλυση ευαισθησίας έδειξε ότι μια μείωση του κόστους του οικιακού ξηραντήρα κατά 50€ (100€ από 150€) μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα μείωση περίπου 14€ στο συνολικό κόστος διαχείρισης του δήμου. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής αυτής, παρουσιάζεται το εργαλείο πολυκριτηριακής ανάλυσης (Multicriteria Analysis, MCA) που αναπτύχθηκε για τη συγκριτική αξιολόγηση της συνολικής βιωσιμότητας των συμβατικών μεθόδων διαχείρισης βιοαποβλήτων και του συστήματος βιοδιϋλιστηρίου. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση ένα αριθμό σχετικών οικονομικών, περιβαλλοντικών και κοινωνικών κριτηρίων. Σύμφωνα με το μέσο όρο των περιβαλλοντικών κριτηρίων που εξετάζονται, η καύση με παραγωγή ενέργειας αναδεικνύεται ως η καλύτερη περιβαλλοντικά μέθοδος, ακολουθούμενη από το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου με κεντρική/αποκεντρωμένη ξήρανση. Σύμφωνα με το οικονομικό κριτήριο, προτιμότερη οικονομικά μέθοδος είναι αυτή της κομποστοποίησης, ενώ ακολουθεί η ταφή και η αναερόβια χώνευση. Η καύση και το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου με αποκεντρωμένη ξήρανση και καύση ισοβαθμούν στην πέμπτη θέση. Τα εναλλακτικά συστήματα βιοδιϋλιστηρίου συνδέονται με υψηλά κεφαλαιουχικά και λειτουργικά κόστη, το οποίο είναι αναμενόμενο καθώς περιλαμβάνουν πιο σύνθετες διεργασίες και απαιτούν ειδικό εξοπλισμό, ακριβότερες πρώτες ύλες (π.χ. ένζυμα) και πιο εξειδικευμένο προσωπικό. Ωστόσο τα συστήματα βιοδιϋλιστηρίου παράγουν και τα υψηλότερα καθαρά έσοδα, καθώς εκτός από την πώληση του παραγόμενου πλεονάζοντος ηλεκτρισμού και του εδαφοβελτιωτικού, προκύπτουν και σημαντικά έσοδα από την πώληση της παραγόμενης αιθανόλης. Σύμφωνα με το μέσο όρο των κοινωνικών κριτηρίων της κοινωνικής αποδοχής και της δημιουργίας θέσεων εργασίας, καλύτερη μέθοδος αναδεικνύεται η αναερόβια χώνευση, ακολουθούμενη από την καύση και το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου με αποκεντρωμένη ξήρανση χωρίς καύση και με καύση. Στη συνέχεια εξετάστηκαν με την πολυκριτηριακή ανάλυση τέσσερα εναλλακτικά σενάρια, όπου στα τρία πρώτα δινόταν μεγαλύτερη βαρύτητα σε διαφορετική ομάδα κριτηρίων (περιβαλλοντικό, οικονομικό, κοινωνικό σενάριο), ενώ στο τέταρτο δινόταν ίση βαρύτητα σε όλες τις ομάδες κριτηρίων (ισοσταθμισμένο). Τα αποτελέσματα της πολυκριτηριακής ανάλυσης έδειξαν ότι η μέθοδος της καύσης είναι η προτιμότερη μέθοδος τόσο σύμφωνα με το σταθμισμένο σενάριο, όσο και με το περιβαλλοντικό σενάριο. Η μέθοδος της αναερόβιας χώνευσης αναδεικνύεται ως η καλύτερη μέθοδος σύμφωνα τόσο με το οικονομικό σενάριο, όσο και με το κοινωνικό σενάριο. Η κομποστοποίηση σε όλα τα σενάρια εκτός από το περιβαλλοντικό, βρίσκεται μεταξύ της δεύτερης και της τρίτης θέσης. Σύμφωνα με το περιβαλλοντικό σενάριο, στην τρίτη θέση βρίσκεται το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου με κεντρική ξήρανση, αλλά και το αντίστοιχο σύστημα με αποκεντρωμένη ξήρανση και καύση. Γενικά, τα δύο αυτά συστήματα βιοδιϋλιστηρίου υπερτερούν σε σχέση με τα συστήματα βιοδιϋλιστηρίου με ξήρανση σε αποκεντρωμένο και οικιακό επίπεδο, σε όλα τα σενάρια. Η μέθοδος της ταφής με καύση του βιοαερίου και με παραγωγή ενέργειας αλλά και το σύστημα βιοδιϋλιστηρίου με οικιακή ξήρανση καταλαμβάνουν τις τελευταίες θέσεις σε όλα τα σενάρια.