Production of sustainable aviation fuels (SAFs) via gasification-based pathways
Authors: Δέτσιος Νικόλαος 
Published: July 2024

Η Διεθνής Ένωση Αερομεταφορών (IATA) έχει θέσει ως στόχο τις μηδενικές εκπομπές άνθρακα έως το 2050. Ο κύριος παράγοντας επίτευξης αυτού του στόχου αναμένεται να είναι η αυξανόμενη διείσδυση των βιώσιμων αεροπορικών καυσίμων (SAFs). Ο όρος SAFs αναφέρεται σε υγρά βιοκαύσιμα (που παράγονται από βιογενή πρώτη ύλη) ή ηλεκτροκαύσιμα (e-fuels) (που παράγονται από πράσινο υδρογόνο και CO2) που είναι πλήρως εναλλάξιμα υποκατάστατα της συμβατικής (ορυκτής) κηροζίνης. Τα SAFs έχουν υιοθετηθεί ως η πιο ελπιδοφόρα στρατηγική για τη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος του τομέα λόγω της συμβατότητάς τους με την εκτεταμένη τρέχουσα υποδομή και τους περιορισμούς των διαθέσιμων εναλλακτικών λύσεων (π.χ. ηλεκτροκίνηση). Η χρήση υδρογόνου ή η ηλεκτροκίνηση απαιτούν βαθιές και συνολικές αλλαγές στον κλάδο και μπορούν να θεωρηθούν μόνο ως μακροπρόθεσμες εναλλακτικές.Η τεχνολογία τύπου HEFA, που βασίζεται στην υδρογόνωση χρησιμοποιημένων ελαίων/ζωικών λιπών, είναι η πιο οικονομικά προσιτή τεχνολογία παραγωγής SAF και αναμένεται να παραμείνει η πιο ώριμη και αποτελεσματική επιλογή τουλάχιστον μέχρι το 2030. Ωστόσο, η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν επαρκεί για να καλύψει από μόνη της την ευρεία μετάβαση καυσίμου του κλάδου λόγω της περιορισμένης διαθεσιμότητας πρώτων υλών (για HEFA) που δεν εγείρουν περιβαλλοντικούς/κοινωνικούς προβληματισμούς (π.χ. βρώσιμη πρώτη ύλη, αλλαγή χρήσης γης). Ως εκ τούτου, η στρατηγική που καθορίστηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση υπογραμμίζει την ανάγκη για παραγωγή/χρήση προηγμένων βιοκαυσίμων (που προέρχονται από βιογενή υπολείμματα/απόβλητα) μέσω της ανάπτυξης αποτελεσματικών τεχνολογιών BtL (Biomass-to-Liquid). Η μείωση του κόστους παραγωγής είναι η κυριότερη πρόκληση αυτών των τεχνολογιών, καθώς τα σχήματα BtL συνήθως συνεπάγονται σημαντικά κεφαλαιουχικά και λειτουργικά έξοδα.Η αεριοποίηση είναι μια βασική τεχνολογία για την ανάπτυξη βιώσιμων μονάδων BtL. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει σε μια διεξοδική ανάλυση σχετικά με τη σκοπιμότητα τεχνολογιών BtL βασισμένων στην αεριοποίηση και περιλαμβάνει μια ανασκόπηση των κυρίαρχων τεχνολογιών παραγωγής SAF, την αλληλεπίδραση με σχετικούς βιομηχανικούς φορείς (π.χ. διυλιστήρια), την αξιολόγηση προηγμένων σχημάτων αεριοποίησης, την επιλογή κατάλληλων βιογενών υπολειμμάτων για την υποστήριξη βιομηχανικών εφαρμογών BtL, καθώς και το σχεδιασμό/τεχνοοικονομική αξιολόγηση μιας καινοτόμου BtL τεχνολογίας. Συγκεκριμένα: Το Κεφάλαιο 1 θέτει τα θεμέλια της παρούσας διατριβής παρουσιάζοντας κι αξιολογώντας τις διαθέσιμες εναλλακτικές για την αποδέσμευση της αεροπορικής βιομηχανίας από τον άνθρακα. Πραγματοποιείται μια συγκριτική ανάλυση των κυρίαρχων τεχνολογιών SAF λαμβάνοντας υπόψη την οικονομική απόδοση, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, και τις μελλοντικές προβλέψεις. Επίσης, αξιολογείται ο αντίκτυπος της πρόσφατης πολιτικής πρωτοβουλίας ‘ReFuelEU Aviation’. Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στην αλληλεπίδραση με τη σχετική βιομηχανία. Επιλέχθηκαν πέντε (5) ομάδες-στόχοι για να εκπροσωπήσουν βασικά ενδιαφερόμενα μέρη σχετικά με την υιοθέτηση προηγμένων βιοκαυσίμων; προμηθευτές πρώτων υλών, διυλιστήρια, έμποροι καυσίμων, τελικοί χρήστες, και υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής. Πραγματοποιήθηκε έρευνα με ειδικά διαμορφωμένα ερωτηματολόγια και εξήχθησαν βασικά στοιχεία για κάθε ομάδα-στόχο.Το Κεφάλαιο 3 χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αξιολογεί τη καταλληλότητα των τεχνολογιών αεριοποίησης DFBG και CLG για εφαρμογές BtL μέσω επικυρωμένων μοντέλων και αντανακλάσεων μεγαλύτερης κλίμακας. Το δεύτερο μέρος καλύπτει τον προσδιορισμό κατάλληλης πρώτης ύλης (διαλογή βιογενών υπολειμμάτων) ανά την Ευρώπη όσον αφορά τη διαθεσιμότητα, τα τεχνικά χαρακτηριστικά, και τις προδιαγραφές της αγοράς. Οι κύριες βιογενείς πηγές ενέργειας μέσω αεριοποίησης είναι τα υπολείμματα δασικής και γεωργικής προέλευσης. Το Κεφάλαιο 4 εισάγει ένα καινοτόμο σχήμα BtL που βασίζεται στη διβάθμια ζύμωση του αερίου σύνθεσης (αέριο σύνθεσης → οξικό οξύ → μικροβιακό έλαιο) αντί των συμβατικών σχημάτων Fischer-Tropsch (FT) ή Alcohol-to-Jet (AtJ). Πραγματοποιείται μια αρχική αξιολόγηση απόδοσης και εξετάζονται εκτιμήσεις σχεδιασμού μέσω της προσομοίωσης διαφόρων σεναρίων λειτουργίας. Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει τον επιλεγμένο σχεδιασμό του νέου σχήματος BtL (200 MWth) και διεξάγει την τεχνοοικονομική αξιολόγησή του με βάση επικυρωμένα μοντέλα και λογικές θεωρήσεις αναβάθμισης κλίμακας. Στόχος είναι η συγκριτική αξιολόγηση με τις τεχνολογίες FT και AtJ, ενώ παρουσιάζεται και μια προκαταρκτική μελέτη ωρίμανσης ελληνικού BtL.Οι τεχνολογίες BtL βασισμένες στην αεριοποίηση, καθοδηγούμενες από τις ήδη σε προ-βιομηχανικό επίπεδο FT και AtJ, μπορούν να ευδοκιμήσουν τα επόμενα χρόνια λόγω της ευελιξίας τους σε πρώτη ύλη. Βασικές προϋποθέσεις για να συμβεί αυτό είναι οι συνεχείς προσπάθειες για βέλτιστο σχεδιασμό (μείωση του κόστους παραγωγής), κατάλληλα πολιτικά κίνητρα, και η αποτελεσματική σύνδεση με τις υπάρχουσες υποδομές διύλισης.