Ολοκληρωμένα υπολογιστικά συστήματα σύνθεσης και αξιοποίησης βιομάζας σε βιοδιυλιστηριακές εφαρμογές

Abstract

Extended AbstractBiomass is a carbon based renewable source with perspectives to cover the needs of energy and chemical production, minimizing the environmental impact and the dependence on conventional petrochemical raw materials. Industrial biomass processing plants, biorefineries, form a new industrial sector with a significant impact on chemical and fuel market. The aim of biorefinery units is the optimal use of resources and the reduction of waste to maximize the benefits and profitability. The concept starts from 1rst generation biorefineries to replace conventional fuels with biofuels and progressively shift to those of second and third generation with the perspective of parallel chemical and fuel production and the use of non-food biomass.The ‘green growth’ is estimated to $300-400 billion with the bio based chemical production accounting for 10 percent of the worldwide annual chemical market, whereas the potential for GHG reductions ranges from 60% to 100%. The design of biorefineries from pilots and installed facilities bears tremendous social and economic benefits. By 2020, only in Europe, there would be around 1,000 of new units bringing €32.3 trillion revenues and 1 million new jobs.Biorefineries seem to be a prerequisite for sustainability. However, their feasibility is not obvious. The development of biorefineries is a multifaceted problem with many options to be evaluated. The options include (i) biomass availability in many different forms (compositions, seasonality, availability), (ii) processing technologies (thermochemical, biochemical, conventional, conversions, yields, type of catalysts and enzymes, pressure, temperature) and (iii) a wide range of intermediates and chemical products (fuels, products, by-products, market needs). These options are linked to different degrees of freedom increasing the complexity of the problem. The development of biorefineries formulate a highthroughput problem where the evaluation of options and solutions requires a systemic synthesis method. However, literature is basically focused on simulations of bioprocesses with a few synthesis efforts formed around specific problems, inadequate for the simultaneous analysis of many options and generalization of problems.The thesis outline the development of a systems methodology for the assessment and optimization of integrated biorefineries. The systematic approach renders generalization in high-throughput capacity. Generalization has been exploited to review large combinations of different feedstock, alternative technologies, energy and chemical products. For the development of the methodology, a synthesis CPB (Compartmental Processing Blocks) unit is introduced, as conceptual structural unit correlating input and output streams of a conversion step. The representations of CPB uses a bipartite graph with discrete data for raw materials, intermediates and finished products. The proposed graph is used to develop biomass value chain (simple representation) and potential biorefinery systems – superstructure (advanced representation).Each graph is defined based on a common framework with Life Cycle Analysis (LCA). The first step include the identification of the system analysis boundaries. Following, data are collected (data flows, energy flows) for the environmental and economic analysis. The environmental impact is estimated using LCA method CML2, where stream and processes contribution to Green Gas House Emissions are calculated. The economic evaluation uses two different approaches where all significant steps of a process are credited with a cost factor (Taylor critical steps method) and the investment is calculated based on energy loss of the process (Thermodynamics Lange method).Subsequently, all the data are formulated to optimization mathematical models. Each graph representation is translated to a set of equations involving mass and energy balances around each element of the graph, economic and logical constraints. The analysis may involve simple objective functions or multiple selection criteria (multicriteria programming). Optimization takes the form of mixed integer linear and non-linear problems. Applications demonstrate literature and real problems as the method support the analysis and configuration of actual units in progress. Reference biorefinery systems cover a full range of raw materials (agricultural crops residues, forestry residues, lignocellulosic biomass and municipal waste), technologies (biochemical, thermochemical, conventional processes), intermediate and final products (fuel, ammonia, ethylene, propylene, adhesives, resins, elastomers, polymers). Through the methodology the data of the problem are translated into graphs, following graphs are as formulated to superstructures that take the form of a mathematical optimization problem. The optimal solution identifies the best combination of raw materials, processes and products.Simple applications include illustration of economic evaluation, where assumptions are related to the production of specific chemicals and aim to identify the most suitable type of biomass, the best technologies and products. The methodology allows to study uncertainties via different scenarios such as the effect of biomass availability and value chain. The results demonstrate the importance of multi-product biorefinery as it ensures sustainability of units through the production and sale of by-products. Uncertainty studies on biomass availability and logistics, highlight the local character of biorefinery units and the need to develop multifeedostock processing technologies that can be adjusted to the appropriate type of biomass available at a time.The optimization problem incorporate the use of alternative criteria as economic and environmental impacts. The multi-criteria analysis uses two alternative approaches, Pareto analysis and multiple threshold analysis for different types of problem. The Pareto analysis provide clearly optimal solutions through feasible points chart. It is recommended in cases that data are reliable and the objective is the accurate identification of best biomass utilization chain. In the most of cases, however, due to lack of biorefinery data it is preferred to develop a list of prioritized choices through cutting algorithms of multiple threshold analysis. The results are illustrated on two different types of biorefineries, and underline the importance of a holistic approach through the combined use of alternative criteria.The generic form of value chain composition allows the extension of methodology by the extension of graphs representation. Illustrations include biorefinery waste management and integration of biobased processes with conventional refinery units. The first case demonstrates the use of graph methodology in combination with waste streams allocation algorithms and presents the economic benefits of decentralized waste management. The representation in the latter case is extended to double graph to achieve the integration with the conventional processes. The results identifying environmental and economic benefits from the replacement of conventional processes with bioprocesses.Highthroughput analysis is further facilitated by the introduction of semantic tools in the form of ontology. Ontologies are used to automate the development of methodology and its connection to the distributed data repositories. The semantic tools are formed in a decision-making software with the perspective to be further used in other applications.

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.