Exploiting olive sector residues
Authors: Κουγιουμτζής Μιχαήλ-Αλέξανδρος 
Published: January 2025

Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η αξιοποίηση των υπολειμμάτων του κλάδου της ελιάς ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοενέργειας και προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Τα υπολείμματα του κλάδου της ελιάς αποτελούνται κυρίως από αγροτικά υπολείμματα, όπως τα κλαδέματα ελιάς (OTP), τα φύλλα ελιάς, και από αγροτοβιομηχανικά υπολείμματα, όπως ο διφασικός/τριφασικός ελαιοπυρήνας και ο κατσίγαρος. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται κυρίως στις οδούς αξιοποίησης του OTP, καθώς αποτελεί τον πιο αναξιοποίητο πόρο βιομάζας από τα παραπάνω. Η αναξιοποίητη δυνατότητα αυτού του αγροτικού υπολείμματος είναι εμφανής από το γεγονός ότι, μόνο στην Ελλάδα, ετησίως περισσότεροι από 2 εκατομμύρια ξηροί τόνοι OTP είτε καίγονται σε ανοιχτές φωτιές είτε τεμαχίζονται και εναποθέτονται στο έδαφος. Το πρώτο καταστρέφει ανεξέλεγκτα το περιβάλλον, ενώ το δεύτερο ενέχει κινδύνους μετάδοσης φυτικών ασθενειών μέσω του εδάφους. Στόχος της διατριβής ήταν να αντιμετωπίσει ολόκληρη την αλυσίδα αξίας, ξεκινώντας από τον αγρό και τη συγκομιδή των αγροτικών υπολειμμάτων, μέσω της μεταφοράς και αποθήκευσής τους, μέχρι την προεπεξεργασία τους σε χύδην καύσιμο ή pellets και τέλος την επικύρωσή τους μέσω της μετατροπής τους σε βιοενέργεια ή άλλα προϊόντα προστιθέμενης αξίας, π.χ. μοριοσανίδες, προσφέροντας έτσι μια ολιστική ανάλυση της αξιοποίησης του OTP. Η διατριβή ξεκινά με μια διεξοδική αξιολόγηση της διαθεσιμότητας βιομάζας από τον κλάδο της ελιάς στην Ελλάδα. Αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα για τη διεξαγωγή αρχικών μετρήσεων πεδίου του OTP. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε διάφορες γεωγραφικές τοποθεσίες και περιλάμβαναν διαφορετικές ποικιλίες ελιάς, προκειμένου να παράσχουν μια ισχυρή βάση για την εκτίμηση του εθνικού δυναμικού OTP. Με βάση αυτά τα δεδομένα, η έρευνα υποστήριξε την ανάπτυξη ενός εργαλείου GIS, το οποίο επιτρέπει στους χρήστες να εκτιμήσουν το δυναμικό OTP εντός της επιθυμητής ακτίνας συλλογής. Αυτό το εργαλείο διευκολύνει τη λήψη τεκμηριωμένων αποφάσεων σχετικά με τη χρήση του OTP σε συγκεκριμένες περιοχές. Μέσω μετρήσεων πεδίου και της ανάπτυξης του GIS εργαλείου, η μελέτη εκτιμά ότι το διαθέσιμο OTP είναι γύρω στους 2 ξηρούς Mt ετησίως. Αυτός ο σημαντικός πόρος βιομάζας, ο οποίος αντιμετωπίζεται κυρίως ως απόβλητο μέσω της καύσης σε ανοιχτό πεδίο, αποτελεί σημαντική ευκαιρία για την παραγωγή βιοενέργειας και την ανάπτυξη μιας κυκλικής οικονομίας στον κλάδο της ελιάς. Η παρούσα διατριβή τονίζει τη σημασία της ακριβούς εκτίμησης της βιομάζας για τον καθορισμό αποτελεσματικών στρατηγικών συγκομιδής και διαχείρισης. Στη συνέχεια, η διατριβή εμβαθύνει στη διαχείριση της συγκομιδής και της μεταφοράς των κλαδεμάτων ελιάς (OTP). Περιγράφει λεπτομερώς μια διετή εκστρατεία μηχανοποιημένης συλλογής στην κεντρική Ελλάδα. Συνολικά, και για τα δύο έτη, η εκστρατεία συλλογής διήρκεσε 20 ημέρες, όπου συλλέχθησαν περίπου 81 εκτάρια ελαιώνων, που αντιστοιχούσαν σε 252 ξηρούς τόνους υπολειμμάτων OTP. Στόχος ήταν να αναπτυχθεί και να αξιολογηθεί μια αλυσίδα αξίας κινητοποίησης αγροτικών υπολειμμάτων ως προς την απόδοση, τα οικονομικά και τις αναλύσεις καυσίμου του OTP που συλλέγεται. Μέσω λεπτομερούς παρακολούθησης, η παρούσα διατριβή συγκρίνει τα αποτελέσματα της μηχανοποιημένης συλλογής και για τα δύο έτη. Εν συντομία, η μέση απόδοση της μηχανοποιημένης συλλογής αυξήθηκε από 2,2 ξηρούς τόνους/ώρα (πρώτο έτος) σε 2,4 ξηρούς τόνους/ώρα (δεύτερο έτος), ενώ το αντίστοιχο κόστος συγκομιδής και μεταφοράς υπολογίστηκε σε 62,3 €/t (ξηρά βάση) και 63,7 €/t (ξηρά βάση), με εκτιμώμενο κόστος εμπορικής λειτουργίας τα 46,0 €/t (ξηρά βάση). Η μελέτη διαπιστώνει ότι η μηχανοποιημένη συλλογή είναι οικονομικά εφικτή και φιλική προς το περιβάλλον, ειδικά όταν σχεδιάζεται στρατηγικά και βελτιστοποιείται ανά περίπτωση και περιοχή συλλογής.Επιπλέον, η διατριβή εξετάζει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αποθήκευσης του OTP (τεμαχισμένη μορφή) στις ιδιότητες του ίδιου στερεού βιοκαυσίμου. Μέσω της διατριβής, πραγματοποιήθηκε η παρακολούθηση των απωλειών ξηρής ύλης κατά τη διάρκεια μιας πεντάμηνης περιόδου αποθήκευσης, συγκρίνοντας δύο τρόπους αποθήκευσης: i) ακάλυπτη αποθήκευση σε ανοιχτό χώρο και ii) αποθήκευση σε ανοιχτό χώρο καλυμμένη με αναπνέοντα μουσαμά (fleece). Κατασκευάστηκαν και παρακολουθήθηκαν δύο πανομοιότυποι κωνικοί σωροί από OTP για τον υπολογισμό των μεταβολών στην ξηρή ύλη και την ενεργειακή αξία του αποθηκευμένου υλικού με την πάροδο του χρόνου. Ο ένας σωρός αφέθηκε ακάλυπτος, ενώ ο άλλος καλύφθηκε με ένα αναπνέοντα μουσαμά. Για κάθε σωρό, χρησιμοποιήθηκαν σάκοι για τη λήψη δειγμάτων για ανάλυση καθόλη τη διάρκεια αποθήκευσης. Συνολικά, ο καλυμμένος σωρός παρουσίασε βελτιωμένη απόδοση αποθήκευσης από τον ακάλυπτο σωρό, ο οποίος επηρεάστηκε πολύ περισσότερο από τις καιρικές συνθήκες. Ο καλυμμένος σωρός παρουσίασε i) χαμηλότερες απώλειες ξηρής ύλης μετά από πέντε μήνες αποθήκευσης με μέση τιμή 1,1 % σε σύγκριση με 4,6 % του ακάλυπτου σωρού, ii) σταθερή περιεκτικότητα σε υγρασία καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου αποθήκευσης περίπου στο 10 %, σε σύγκριση με την κυμαινόμενη περιεκτικότητα σε υγρασία του ακάλυπτου σωρού από 11 % έως 24 % και τέλος, iii) ανακτώμενo ενεργειακό κέρδος με μέση τιμή σωρού 12,1 % σε σύγκριση με την απώλεια ενέργειας 5,1 % στον ακάλυπτο σωρό, μετά την περίοδο αποθήκευσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κάλυψη των σωρών με fleece μειώνει σημαντικά τις απώλειες ξηράς ύλης και διατηρεί την ποιότητα του καυσίμου, προσφέροντας μια οικονομικά αποδοτική λύση αποθήκευσης για τις αλυσίδες αξίας που βασίζονται σε υπολείμματα κλαδέματος ελιάς (OTP). Αφού εξασφαλίστηκε η προμήθεια OTP, η παρούσα διατριβή διερευνά τη μετατροπή του OTP σε στερεά βιοκαύσιμα, όπως τα pellets, και την επικύρωσή τους σε εμπορικές/ βιομηχανικές εφαρμογές. Αρχικά, περιγράφεται λεπτομερώς η διαδικασία παραγωγής pellets. Το κόστος παραγωγής των pellets ανέρχεται σε 80 €/t, ενώ η κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή ενός ξηρού τόνου pellet από OTP ανέρχεται σε 1.340 kWh πρωτογενούς ενέργειας. Στη συνέχεια, αναλύονται οι ιδιότητες των καυσίμων των pellets και του hog fuel (χύδην) από OTP, αποκαλύπτοντας τις δυνατότητές τους ως βιομηχανικά στερεά βιοκαύσιμα. Σε γενικές γραμμές, τα καύσιμα από υπολείμματα κλαδέματος ελιάς έχουν καλή ενεργειακή περιεκτικότητα, αλλά διαφέρουν από τη δασική βιομάζα ως προς την υψηλότερη περιεκτικότητα σε τέφρα, η οποία ανέρχεται σε 5,5% (ξηρή βάση). Έτσι, αυτός ο τύπος βιομάζας απαιτεί λέβητες με υψηλότερες απαιτήσεις στα συστήματα που προορίζονται για την απομάκρυνση της τέφρας και, κυρίως, με βάση τις ιδιότητες του καυσίμου, απευθύνεται στην αγορά βιομηχανικών καυσίμων. Στη συνέχεια, η διατριβή επικύρωσε τη χρήση OTP σε βιομηχανικούς λέβητες, συγκρίνοντας την απόδοση και τις εκπομπές τους με συμβατικά καύσιμα, όπως pellets από φλοιό ηλίανθου και πυρηνόξυλο. Πιο συγκεκριμένα, τα pellets OTP δοκιμάστηκαν σε έναν λέβητα βιομάζας 1,2 MWth ενός θερμοκηπίου, σε έναν λέβητα βιομάζας 0,5 MWth ενός ελαιοτριβείου και τέλος, σε έναν αεριοποιητή βιομάζας 1 MWe σε συνθήκες λειτουργίας. Και στις τρεις δοκιμές, υπολογίστηκε η απόδοση της καύσης/ αεριοποίησης, ενώ μετρίθηκαν και οι εκπομπές και συγκρίθηκαν με τα καύσιμα αναφοράς που χρησιμοποιούνται στις εν λόγω βιομηχανίες. Πιο συγκεκριμένα, στην πρώτη περίπτωση, τα pellets OTP μείωσαν ελαφρώς την απόδοση του λέβητα κατά 3,5 ποσοστιαίες μονάδες σε σύγκριση με το καύσιμο αναφοράς. Η απώλεια απόδοσης σχετίζεται κυρίως με την αυξημένη ενεργειακή πυκνότητα των pellets OTP σε σύγκριση με τα pellets ηλίανθου (24,8% υψηλότερη). Η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα οδήγησε στη μείωση του ρυθμού τροφοδοσίας από τον χειριστή του λέβητα. Ωστόσο, η ρύθμιση του λέβητα δεν ήταν η βέλτιστη, επομένως παρατηρήθηκαν μεγαλύτερες απώλειες (υψηλή θερμοκρασία καυσαερίων). Εκτός από την ελαφρώς μειωμένη απόδοση, οι εκπομπές CO, NOx και CO2 ήταν χαμηλότερες για τα pellets OTP. Αντιθέτως, οι εκπομπές αέριοu οργανικoού άνθρακα (OGC) ήταν πολύ υψηλότερες με τα pellets OTP σε σύγκριση με τα pellets ηλίανθου. Και με τα δύο καύσιμα, οι εκπομπές του λέβητα ήταν εντός των ορίων MCPD για τις εκπομπές NOx και SO2. Ωστόσο, οι εκπομπές σκόνης ήταν υψηλές και για τα δύο καύσιμα. Συνολικά, τα αποτελέσματα των μετρήσεων των εκπομπών ανέδειξαν τη σημασία της επιλογής ενός σύγχρονου συστήματος καύσης, συμβατού με αυτόν τον τύπο βιοκαυσίμων, που διαθέτει όλους τους απαραίτητους αυτοματισμούς που θα εξασφαλίζουν υψηλή απόδοση και χαμηλές εκπομπές (π.χ. αυτοματοποιημένος έλεγχος με αισθητήρες λάμδα, κυκλώνας, ESP φίλτρα) και ευκολία στη χρήση (αυτόματη εξαγωγή τέφρας). Επιπλέον, οι ιδιότητες των καυσίμων από τα υπολείμματα κλαδέματος ελιάς είναι παρόμοιες και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και καλύτερες από άλλα βιομηχανικά καύσιμα. Η διατριβή αξιολογεί περαιτέρω την οικονομική σκοπιμότητα διαφορετικών σεναρίων εκμετάλλευσης των υπολειμμάτων κλαδέματος ελιάς, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας Ολοκληρωμένων Κέντρων Εφοδιαστικής Βιομάζας (IBLCs), με την έννοια των νέων επιχειρηματικών δραστηριοτήτων που θα μπορούσαν να εφαρμοστούν από αγροτοβιομηχανίες του κλάδου. Τέτοια σενάρια περιλαμβάνουν: i) τη συγκομιδή και πώληση hog fuel (χύδην καύσιμο) από OTP σε τοπικούς βιομηχανικούς καταναλωτές, ii) την παραγωγή pellets από OTP και πώληση στην αγορά και iii) την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από OTP σε μονάδα παραγωγής ενέργειας και την πώλησή της στο δίκτυο. Για κάθε σενάριο πραγματοποιήθηκε λεπτομερής ανάλυση κόστους και ανάλυση ταμειακών ροών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το σενάριο της μονάδας παραγωγής ενέργειας, με εγγυημένη ζήτηση και σταθερή τιμή πώλησης για την ηλεκτρική ενέργεια, είναι η οικονομικά βιώσιμη επιλογή, προσφέροντας έναν βιώσιμο και κερδοφόρο τρόπο για την αξιοποίηση του OTP. Εκτός από τη βιοενέργεια, η παρούσα διατριβή διερευνά και τη δυνατότητα παραγωγής μοριοσανίδων από υπολείμματα κλαδέματος ελιάς, υποκαθιστώντας εν μέρει το συμβατικό ξύλο. Η μελέτη αξιολογεί τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες των παραγόμενων μοριοσανίδων, συγκρίνοντάς τες με τις εμπορικές μοριοσανίδες. Οι μηχανικές ιδιότητες των πάνελ μειώθηκαν με την αύξηση του επιπέδου υποκατάστασης με OTP. Αντιθέτως, οι ιδιότητες των μοριοσανίδων, όπως οι εκπομπές φορμαλδεΰδης των σανίδων, μαζί με το πάχος διόγκωσης, μειώνονται με την αύξηση του επιπέδου υποκατάστασης, γεγονός που καθιστά τα πάνελ ασφαλέστερα όσον αφορά τη ρύπανση εσωτερικών χώρων και την ανθρώπινη υγεία και πιο φιλικά προς τον καταναλωτή και ελκυστικά για την αγορά. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα υπολείμματα κλαδέματος ελιάς μπορούν να αντικαταστήσουν έως και το 40% του ξύλου στην παραγωγή μοριοσανίδων χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα, προσφέροντας μια βιώσιμη εναλλακτική λύση και αντιμετωπίζοντας την έλλειψη ξυλείας. Επιπλέον της πιλοτικής παραγωγής μοριοσανίδων, η παρούσα διατριβή διερευνά την αξιοποίηση των υπολειμμάτων του κλάδου της ελιάς, όπως τα λύματα των ελαιοτριβείων (OMW), τα φύλλα ελιάς, το πυρηνόξυλο και το διφασικό/τριφασικό ελαιοπυρήνα σε προϊόντα προστιθέμενης αξίας όπως οι φαινόλες. Η έρευνα διερευνά την εκχύλιση και τον προσδιορισμό των φαινολών από τις προαναφερθείσες πρώτες ύλες που πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακές δοκιμές στο WFBR (Wageningen Food & Biobased Research, Ολλανδία). Οι εξαγόμενες φαινόλες διερευνήθηκαν για τις πιθανές εφαρμογές τους σε καλλυντικά, φαρμακευτικά και διατροφικά προϊόντα. Η μελέτη αναλύει διάφορες μεθόδους εκχύλισης και διαλύτες, τονίζοντας τη σημασία της επιλογής κατάλληλων τεχνικών για τη μεγιστοποίηση της ανάκτησης και της ποιότητας της φαινόλης, καθώς και αναδεικνύει τα εμπόδια και τις απαιτούμενες υποστηρικτικές πολιτικές για την εμπορευματοποίησή τους. Το τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζει τα κύρια συμπεράσματα της διατριβής, επισημαίνοντας τις δυνατότητες ενός αγροτικού υπολείμματος όπως το OTP ως πολύτιμου πόρου για βιοενέργεια και προϊόντα προστιθέμενης αξίας. Η έρευνα δίνει έμφαση στη σημασία των αποτελεσματικών τεχνικών συλλογής, αποθήκευσης και επεξεργασίας για τη μεγιστοποίηση των οφελών από τη χρήση του OTP. Υπό αυτό το πρίσμα, η παρούσα διατριβή ερευνά ολόκληρη την αλυσίδα αξιοποίησης του OTP παρέχοντας επίσης βασικές πληροφορίες και έτοιμες προς εφαρμογή λύσεις που αφορούν αναξιοποίητους πόρους βιομάζας όπως το OTP. Η μελέτη προσδιορίζει επίσης τομείς για μελλοντική έρευνα, όπως μείγματα καυσίμων OTP με άλλες αναξιοποίητες πρώτες ύλες βιομάζας, εναλλακτικές τεχνολογίες μετατροπής OTP μαζί με την ενσωμάτωση τεχνολογιών δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα ή/και παραγωγή biochar (βιοεξανθράκωμα), καθώς και παραγωγή άλλων βιοχημικών (5-HMF, φουρφουράλη, τετραϋδροφουράνιο) από το OTP. Εξετάζοντας αυτές τις πτυχές, η έρευνα συμβάλλει στην πρόοδο μιας κυκλικής οικονομίας και βιώσιμης ανάπτυξης στον κλάδο της ελιάς, με στόχο την αξιοποίηση όλων των υπολειμμάτων του κλάδου για παραγωγή βιοενέργειας και προστιθέμενης αξίας προϊόντα.