Ολοκληρωμένα υπολογιστικά συστήματα σύνθεσης και αξιοποίησης βιομάζας σε βιοδιυλιστηριακές εφαρμογές
Authors: Τσακάλοβα Μαρινέλλα 
Published: September 2021

Εκτεταμένη ΠερίληψηΗ βιομάζα αποτελεί μια ανανεώσιμη πρώτη ύλη βασισμένη σε άνθρακα και διαθέτει σημαντικές προοπτικές να καλύψει την παραγωγή ενέργειας και χημικών προϊόντων ελαχιστοποιώντας τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο και την εξάρτηση από συμβατικές πετρελαιοχημικές πρώτες ύλες. Οι βιομηχανικές μονάδες επεξεργασίας της βιομάζας, τα βιοδιυλιστήρια, διαμορφώνουν έναν νέο βιομηχανικό τομέα με σημαντικό αντίκτυπο στην αγορά χημικών και καυσίμων. Στόχος των βιοδιυλιστηριακών μονάδων είναι η βέλτιστη χρήση των πόρων και η μείωση των αποβλήτων μεγιστοποιώντας με αυτόν τον τρόπο τα οφέλη και τη κερδοφορία. Η ιδέα ξεκινά από τα βιοδιυλιστήρια 1ης γενιάς με σκοπό την αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων από βιοκαύσιμα, και εξελίσσεται σε αυτά της 2ης και 3ης γενιάς με σκοπό την παράλληλη παραγωγή χημικών και καυσίμων και τη χρήση μη τροφικής βιομάζας. Η ανάπτυξη της «πράσινης» βιομηχανίας εκτιμάται σε $ 300-400 δις με την παραγωγή χημικών με βάση τη βιομάζα να αποτελεί το 10% της ετήσιας παγκόσμιας αγοράς, ενώ παράλληλα τα ποσοστά μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου υπολογίζονται από 60% μέχρι και 100%. Η ανάπτυξη των βιοδιυλιστηρίων από πιλοτικές εφαρμογές σε βιομηχανικές μονάδες φέρει σημαντικά κοινωνικά και οικονομικά οφέλη. Εκτιμάται ότι στην Ευρώπη μέχρι το 2020 θα αναπτυχθούν 1000 νέες μονάδες μόνο για τη παραγωγή αιθανόλης προσφέροντας 1εκατ. Θέσεις εργασίας και € 32.3 τρις. Τα βιοδιυλιστήρια φαίνονται να αποτελούν προϋπόθεση για την αειφορία ωστόσο η βιωσιμότητα τους δεν είναι προφανής. Η ανάπτυξη των βιοδιυλιστηρίων αποτελεί ένα πολύπλευρο πρόβλημα με πολλές επιλογές που πρέπει να αξιολογηθούν. Οι επιλογές αφορούν (i) τη βιομάζα που είναι διαθέσιμη σε πολλές και διαφορετικές μορφές (συστάσεις, εποχικότητα, διαθεσιμότητα), (ii) τις τεχνολογίες επεξεργασίας (θερμοχημικές, βιοχημικές, συμβατικές, μετατροπές, αποδόσεις, είδος καταλυτών, ενζύμων, συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας) και (iii) ένα ευρύ φάσμα ενδιάμεσων και χημικών προϊόντων (καύσιμα, προϊόντα, παραπροϊόντα, ποσότητες). Οι παραπάνω επιλογές συνδέονται με διαφορετικούς βαθμούς ελευθερίας αυξάνοντας τη πολυπλοκότητα του προβλήματος. Η ανάπτυξη των βιοδιυλιστηρίων διαμορφώνει ένα προβλήματος κλίμακας οπού η αξιολόγηση επιλογών και λύσεων απαιτεί μια συστημική μέθοδο σύνθεσης. Ωστόσο, οι βιβλιογραφικές αναφορές επικεντρώνονται σε προσομοιώσεις των βιοδιεργασιών και οι λίγες προσπάθειες σύνθεσης είναι διαμορφωμένες γύρω από συγκεκριμένα προβλήματα, στοχευμένα σε 1,2 προϊόντα ανεπαρκείς για την ταυτόχρονη μελέτη πολλών επιλογών και τη γενίκευση προβλημάτων. Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας συστημικής μεθοδολογίας σύνθεσης για την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση ολοκληρωμένων βιοδιυλιστηρίων. Η συστημική προσέγγιση επιτρέπει τη γενίκευσή σε εφαρμογές και προβλήματα κλίμακας. Η γενίκευση παρουσιάζεται μέσα από την ανάλυση διαφορετικών πρώτων υλών, εναλλακτικών τεχνολογιών, ενεργειακών και χημικών προϊόντων. Για την ανάπτυξη της μεθοδολογίας, ορίζεται η έννοια της δομικής μονάδας αφαιρετικής σύνθεσης (ΜΑΣ), ως μια αφαιρετική προσέγγιση της μονάδας μετατροπής που ορίζεται από τη συσχέτιση ρευμάτων εισόδου και εξόδου. Η αναπαράσταση των ΜΑΣ πραγματοποιείται μέσα από μια διμερή γραφική αναπαράσταση με διακριτά στοιχεία που αφορούν τις πρώτες ύλες, τα ενδιάμεσα και τελικά προϊόντα. Ο προτεινόμενος γράφος χρησιμοποιείται για να συνθέσει αλυσίδες αξιοποίησης βιομάζας (απλή αναπαράσταση) και δυνητικά συστήματα βιοδιυλιστηρίων-υπερδομές (σύνθετη αναπαράσταση).Κάθε γράφος ορίζεται με βάση ένα πλαίσιο υλοποίησης που αναπτύσσεται μέσα από μια διαδικασία με κοινά στοιχεία και βήματα με αυτά της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ). Αρχικά καθορίζονται τα όρια μελέτης του συστήματος ανάλογα με το σκοπό της μελέτης. Στη συνέχεια συλλέγονται τα δεδομένα (δεδομένα ρευμάτων, ενεργειακών ροών) και πραγματοποιούνται περιβαλλοντικές και οικονομικές αναλύσεις. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις υπολογίζονται με βάση τη μέθοδο CML2 της ΑΚΖ, σε όρους συνεισφοράς της διεργασίας και των ρευμάτων της στις εκπομπές αέριων του θερμοκηπίου. Η οικονομική αξιολόγηση πραγματοποιείται μέσα από δύο διαφορετικές εκτιμήσεις όπου στη πρώτη κάθε σημαντικό βήμα μιας διεργασίας πιστώνεται με έναν συντελεστή κόστους (Μέθοδος κρίσιμων βημάτων Τέιλορ) και στη δεύτερη η επένδυση υπολογίζεται με βάση τις ενεργειακές απώλειες της διεργασίας (Θερμοδυναμική μέθοδος Λανγκ). Τα παραπάνω δεδομένα αναπτύσσονται στη συνέχεια σε μαθηματικά πρότυπα βελτιστοποίησης. Κάθε γράφος μεταφράζεται σε ένα σύνολο εξισώσεων που περιλαμβάνει ισοζύγια μάζας και ενέργειας γύρω από κάθε στοιχείο του γράφου, οικονομικούς και λογικούς περιορισμούς. Η ανάλυση μπορεί να αφορά απλές αντικειμενικές συναρτήσεις ή πολλαπλά κριτήρια επιλογής (πολύ-κριτηριακός προγραμματισμός). Η βελτιστοποίηση παίρνει τη μορφή προβλημάτων μικτού-ακέραιου γραμμικού και μη γραμμικού μαθηματικού προγραμματισμού. Εφαρμογές καταδεικνύονται σε προβλήματα της βιβλιογραφίας αλλά και σε πραγματικά προβλήματα καθώς η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για να στηρίξει την ανάλυση και τη διαμόρφωση πραγματικών μονάδων σε εξέλιξη. Τα συστήματα αναφοράς καλύπτουν ένα πλήρες φάσμα πρώτων υλών (υπολείμματα αγροκαλλιεργειών, δασικά υπολείμματα, λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, αστικά απόβλητα), τεχνολογιών (βιοχημικές, θερμοχημικές, συμβατικές διεργασίες) και ενδιάμεσων και τελικών προϊόντων (καύσιμα, αμμωνία, αιθυλένιο, προπυλένιο, κόλλες, ρητίνες, ελαστομερή, πολυμερή). Μέσα από τη μεθοδολογία τα δεδομένα του προβλήματος μεταφράζονται σε γράφους, στη συνέχεια οι γράφοι διαμορφώνονται ως υπερδομές και οι υπερδομές παίρνουν τη μορφή ενός μαθηματικού προβλήματος βελτιστοποίησης. Η λύση του μαθηματικού προβλήματος εντοπίζει τον βέλτιστο συνδυασμό πρώτων υλών, διεργασιών και προϊόντων.Οι απλές εφαρμογές αφορούν παραδείγματα οικονομικής αξιολόγησης,όπου η υπόθεση εργασίας σχετίζεται με την κάλυψη της αγοράς σε παραγωγή συγκεκριμένων χημικών και το ζητούμενο είναι ο προσδιορισμός του καταλληλότερου τύπου βιομάζας, των βέλτιστων τεχνολογιών και των παραπροϊόντων. Η μεθοδολογία δίνει τη δυνατότητα μελέτης αβεβαιότητας μέσα από διαφορετικά σενάρια όπου εξετάζεται η επίδραση της διαθεσιμότητας της βιομάζας καθώς και η επίδραση της εφοδιαστικής αλυσίδας. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τη σημασία του βιοδιυλιστηρίου πολλαπλών προϊόντων καθώς εξασφαλίζουν τη βιωσιμότητα των μονάδων μέσα από την παραγωγή παραπροϊόντων και τη πώληση τους. Οι μελέτες των σεναρίων αβεβαιότητας στη διαθεσιμότητα βιομάζας και την επίδραση εφοδιαστικής αλυσίδας υπογραμμίζουν τον έντονο τοπικό χαρακτήρα των βιοδιυλιστηριακών μονάδων και την ανάγκη διαμόρφωσης τεχνολογιών επεξεργασίας διαφορετικών τύπων βιομάζας που θα μπορούν να προσαρμόζονται στις εκάστοτε συνθήκες. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης διαμορφώνεται για να ενσωματώσει τη χρήση εναλλακτικών κριτηρίων που αφορούν οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η πολυκριτηριακή ανάλυση πραγματοποιείται μέσα από δυο ενναλακτικές προσεγγίσεις την Ανάλυση κατά Παρέτο και την Ανάλυση πολλαπλή ουδού, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε διαφορετικής φύσης προβλήματα. Η ανάλυση κατά Παρέτο καθορίζει με σαφήνεια τις βέλτιστες λύσεις μέσα από ένα διάγραμμα εφικτών σημείων. Προτείνεται σε περιπτώσεις όπου τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι αξιόπιστα και σκοπός είναι ο ακριβής εντοπισμός βέλτιστων αλυσίδων αξιοποίησης βιομάζας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, λόγω έλλειψης βιοδιυλιστηριακών δεδομένων, προτιμάτε ένας κατάλογος ιεραρχημένων επιλογών, που παρέχεται μέσα από αλγόριθμους αποκοπής της Ανάλυσης πολλαπλής ουδού. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με βάση δυο διαφορετικά είδη βιοδιυλιστηρίων και υπογραμμίζουν τη σημασία της ολιστικής προσέγγισης μέσω της συνδυαστικής χρήσης εναλλακτικών κριτηρίων.Η γενικευμένη μορφή σύνθεσης των αλυσίδων δίνει τη δυνατότητα επέκτασης της μεθοδολογίας μέσα από την επέκταση της αναπαράστασης των γράφων. Παραδείγματα επέκτασης περιλαμβάνουν την διαχείριση βιοδιυλιστηριακών αποβλήτων και την ολοκλήρωση βιοδιυλιστηριακών διεργασιών με μονάδες συμβατικού διυλιστηρίου. Στη πρώτη περίπτωση καταδεικνύεται η χρήση της μεθοδολογίας σε συνδυασμό με αλγορίθμους κατανομής ρευμάτων αποβλήτων και παρουσιάζονται μέσω της βελτιστοποίησης τα οικονομικά οφέλη από την αποκεντρωμένη διαχείριση αποβλήτων. Στη δεύτερη περίπτωση η αναπαράσταση επεκτείνεται σε διπλό γράφο για να ενσωματώσει τις συμβατικές διεργασίες και τα αποτελέσματα εντοπίζουν περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη από την αντικατάσταση των συμβατικών διεργασιών με βιοδιεργασίες.Η ανάλυση προβλημάτων κλίμακας διευκολύνεται περαιτέρω με την εισαγωγή σημασιολογικών εργαλείων σε μορφή οντολογιών που χρησιμοποιούνται για την αυτόματη ανάπτυξη της μεθοδολογίας αλλά και τη σύνδεσή της με κατανεμημένες δεξαμενές δεδομένων. Τα σημασιολογικά εργαλεία διαμορφώνονται σε ένα λογισμικό λήψης αποφάσεων με προοπτικές να χρησιμοποιηθεί και σε εφαρμογές εκτός βιοδιυλιστηρίου.